高动量非线性磁子学驱动的磁激发谱动态重整化研究

为解决人工智能和物联网数据存储处理面临的太赫兹频率需求与热限制问题，德国马克斯·普朗克研究所团队通过飞秒激光共振激发α-Fe2O3的高动量双磁子(2M)模式，首次实现非热诱导的γ点磁子(q-FM/q-AFM)频率重整化（蓝移4%/红移3%）和振幅增强（×5/×3.5），提出2M共振拉曼散射(2MRRS)新机制，为光控磁相变和玻色-爱因斯坦凝聚提供新途径。论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。

　　

在人工智能和物联网时代，数据爆炸式增长对存储与处理技术提出严峻挑战，亟需开发能在太赫兹(THz)频段工作且不受热限制的新型方案。磁性材料中的集体自旋激发——磁子(magnon)，因其高频率和低能耗特性成为理想候选。然而，现有技术仅能操控布里渊区中心(γ点)的磁子模式，对高动量磁子的光学调控及其对材料本征动力学的影响仍是空白。这一瓶颈严重制约了光控磁相变、量子态制备等前沿应用的发展。

德国马克斯·普朗克研究所团队选择室温弱铁磁体α-Fe₂O₃(赤铁矿)作为研究对象，其独特的双磁子(2M)吸收峰位于45.5 THz，为共振激发高动量磁子提供了理想窗口。研究通过自主研发的飞秒中红外泵浦-探测系统，结合原子自旋动力学模拟，首次揭示了高动量磁子对γ点磁子谱的动态重整化效应。

关键技术包括：(1)可调谐中红外飞秒激光(37-53 THz)选择性激发2M模式；(2)1.2 μm探针光通过磁光Cotton-Mouton效应检测瞬态自旋动力学；(3)基于ab initio参数的原子自旋动力学模拟；(4)通过调制泵浦占空比排除热效应干扰。

【Renormalization of the spectrum】
共振激发2M模式时，γ点准铁磁(q-FM)和准反铁磁(q-AFM)模式频率分别红移3%和蓝移4%，振幅增强3.5倍和5倍。这种非热效应在100 mJ/cm²泵浦下可使q-AFM频率偏移达20%，且与激光加热无关（占空比实验验证）。

【Nonthermal origin】
偏振依赖实验显示q-FM遵循逆法拉第效应，q-AFM符合逆Cotton-Mouton效应，证实2M共振拉曼散射(2MRRS)机制。理论模型表明该过程通过非线性耦合项κ_ijk,kC_ij,k²S_k实现，区别于传统ISRS（图4A-B）。

【Frequency renormalization mechanism】
超越线性自旋波理论，模拟显示仅当激发高动量磁子时才能复现实验观测的频移方向。该效应源于光致磁子-磁子散射链，类似参数泵浦理论中“频率=本征值+散射率×粒子数”的关系。

这项研究开创性地实现了三大突破：(1)首次通过光学手段任意调控磁子本征频率；(2)发现跨越动量空间的磁子非线性耦合新机制；(3)为光致磁不稳定性、室温玻色-爱因斯坦凝聚及铜氧化物超导调控提供了全新路径。特别值得注意的是，2M模式在铜基超导体中与超导涨落密切相关，该发现可能开辟超导光控的新维度。研究建立的2MRRS理论框架，为强关联电子体系的非平衡态调控奠定了方法论基础。