通过光引发和非线性调控晶格振动是钻研非平衡态量子资料物理性质的强有力步骤。有关声子-声子相互作用以及其他类型集体模式之间的非线性耦合，为设计固体的动态机能提供了更多可能。例如，磁振子可能以极幼的能量耗散携带信息，其有关和非线性调控将为自旋电子学和磁振子学实现基于集体模式的信息处置和存储提供一种有效的蹊径。

近日，亿万先生MR理学院曹世勋教授团队结合美国麻省理工学院、德克萨斯大学奥斯汀分校、加州大学洛杉矶分校等物理学家和化学家组成的国际钻研团队，在稀土正铁氧体ErFeO₃单晶中获得了最新的钻研突破。钻研人员发现，在ErFeO₃单晶中强太赫兹场能够驱动由磁共振介导的磁振子上转换过程。利用二维太赫兹偏振法，钻研人员揭示了倾角反铁磁体分歧磁振子模之间耦合的单向性质。自旋动力学的推算进一步批注这种耦合对于倾斜磁矩的反铁磁体（RFeO₃）拥有普遍性，为有关领域的将来钻研提供了坚实的理论基础。2024年01月23日，钻研成就 “Terahertz field-driven magnon upconversion in an antiferromagnet”在线颁发在《Nature Physics》上。

本论文工作萦绕亿万先生MR理学院团队的高质量稀土正铁氧体ErFeO3单晶样品发展，曹世勋教授为共同通讯作者，博士后马幼璇和任伟教授为共同合作者，亿万先生MR理学院物理系、资料基因组工程钻研院和亿万先生MR量子与分子结构国际中心为共同通讯单元。作为该项国际合作钻研课题的主题资料，亿万先生MR团队致力于高质量ErFeO₃单晶样品的造备和精确定向切割与磁性表征。本论文以(010)切向的ErFeO₃单晶为主体，首先选取太赫兹偏振法钻研室温下的驱动磁振子响应（图1）。由单脉冲探测步骤丈量驱动模式下的太赫着渍导的自由感应衰减（FID）信号，实现了对磁振子对称的全面理解。为了进一步分辨共振引发和非线性上转换过程，进行二维太赫兹有关光谱丈量（图2），通过施加第二个时滞太赫兹脉冲，纪录时域太赫兹场发射，提取两个脉冲产生的非线性太赫兹信号，并进行二维嘎凤叶变换，得到非线性磁响应的频率-频率关联图。在垂直构型中检测到的2D THz谱显示出一个很强的交叉峰，引发频率和发射频率别离对应于准铁磁模式（qFM）和准反铁磁模式（qAFM）的磁振子模式。峰值振幅是泵浦磁场的平方，明确地揭示了非线性上转换过程：只有当qFM磁振子模式被引发时，才允许发射qAFM磁振子模式。

基于非线性自旋动力学的钻研揭示磁振子上转换景象并非仅限于ErFeO₃，在其他拥有自觉或表部诱导的倾角反铁磁有序的正铁氧体中同样能够观察。这一突破性发现预示着在很多其他磁有序系统中，蕴含多铁性资料、原子级薄层反铁磁体和耦合FM/AFM异质结构等，都可能呈此刻分歧磁振子模式之间诱导有关转移的景象。这一概想的宽泛合用性将推动自旋电子学和磁振子学领域进入超快非线性领域的前沿。该钻研为索求磁性量子资料在非平衡状态下的性质调控启发了新的蹊径，为将来的量子科学技术和利用提供了有力的支持。

图1：室温下太赫兹场驱动ErFeO₃的磁振子响应和太赫兹偏振丈量。

图2：室温下磁振子上转换信号的二维太赫兹光谱图。

在Nature Physics上颁发的本钻研成就，是曹世勋教授团队继2018年在Science上颁发国际合作钻研论文“Observation of Dicke cooperativity in magnetic interactions”、2021年5月、2022年1月、2022年10月相继在《Nature Communications》上颁发三篇高质量国际合作钻研论文“Ultrastrong magnon–magnon coupling dominated by antiresonant interactions”、“Emerging spin–phonon coupling through cross-talk of two magnetic sublattices”与 “Anisotropic long-range spin transport in canted antiferromagnetic orthoferrite YFeO3”之后再次登上国际驰名期刊。

本工作得到上海市科学技术委员会“科技创新行动打算”项目（No.21JC1402600）和国度天然科学基金项目（NSFC, Nos.12074242, 12374116, 12074241）等支持。

有关论文链接：

2024年01月，Nature Physics, https://rdcu.be/dwIcZ 或 https://doi.org/10.1038/s41567-023-02350-7 

2022年10月，Nature Communications, 13, 6140 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33520-5 

2022年01月，Nature Communications, 13, 443 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-021-27267-8 

2021年05月，Nature Communications, 12, 3115 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23159-z 

2018年08月，Science, 361 (6404), 794-797. http://science.sciencemag.org/content/361/6404/794