著名的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)展示了光的波動(dòng)性。如果把“雙縫”刻在時(shí)間軸上，而不是刻在空間里，會(huì)出現(xiàn)怎樣的效應(yīng)？上?？萍即髮W(xué)陸衛(wèi)教授團(tuán)隊(duì)在磁子強(qiáng)耦合系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了“時(shí)間雙縫”實(shí)驗(yàn)，清晰觀(guān)測(cè)到時(shí)間衍射信號(hào)，展示了在時(shí)間維度上調(diào)控磁子強(qiáng)耦合態(tài)的可行性。這一成果近日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)，并被遴選為編輯推薦論文。

在傳統(tǒng)光學(xué)里，我們用空間結(jié)構(gòu)來(lái)改變波的傳播路徑，本質(zhì)上是打破空間的平移對(duì)稱(chēng)性。近年來(lái)，科研人員開(kāi)始研究時(shí)變介質(zhì)：材料性質(zhì)隨時(shí)間快速變化，從而打破時(shí)間的平移對(duì)稱(chēng)性，產(chǎn)生時(shí)間反射、時(shí)間折射和時(shí)間衍射等現(xiàn)象。這種“在時(shí)間上做器件”的方式不受空間尺寸限制，切換速度快，已在光子學(xué)和聲學(xué)中被驗(yàn)證。

在自旋電子學(xué)中，磁子（自旋波的能量量子）是重要的信息載體。它們可以在絕緣體中以低耗散傳播，適合低能耗計(jì)算和量子混合系統(tǒng)。在其中實(shí)現(xiàn)時(shí)變磁子狀態(tài)的難點(diǎn)在于：如何在極短時(shí)間內(nèi)顯著改變磁子的色散關(guān)系，并實(shí)時(shí)檢測(cè)到這種瞬態(tài)演化。傳統(tǒng)方法依賴(lài)很強(qiáng)的脈沖磁場(chǎng)，能耗高，也會(huì)破壞磁子的低損耗優(yōu)勢(shì)。

圖1：示意圖。本工作利用時(shí)間狹縫實(shí)現(xiàn)對(duì)磁子強(qiáng)耦合態(tài)的相干調(diào)控，形成時(shí)間雙縫衍射現(xiàn)象。

團(tuán)隊(duì)的突破點(diǎn)是利用光誘導(dǎo)磁子態(tài)（PIM）的非線(xiàn)性?xún)?yōu)勢(shì)來(lái)解決上述問(wèn)題。PIM 的等效磁矩很小，只需納特斯拉量級(jí)的微波磁場(chǎng)就能“點(diǎn)亮/熄滅”，相當(dāng)于一個(gè)低閾值的時(shí)間開(kāi)關(guān)。當(dāng) PIM 與材料中另一個(gè)穩(wěn)定磁子模式（WM）發(fā)生強(qiáng)耦合時(shí)，PIM 的快速產(chǎn)生和湮滅會(huì)在時(shí)間軸上形成清晰的“時(shí)間界面”，見(jiàn)圖2(a)。

為在納秒尺度上“看清楚”頻譜演化，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了時(shí)間分辨頻率梳光譜（trFCS）。該技術(shù)用兩束重復(fù)周期不同的微波脈沖（泵浦與探測(cè)）作為“兩把時(shí)間尺子”。通過(guò)掃描兩脈沖的時(shí)間差，并讀取探測(cè)脈沖生成的“頻率梳”隨時(shí)間的輪廓變化，trFCS 能在不被強(qiáng)泵浦干擾的情況下，給出磁子頻譜的瞬時(shí)快照，見(jiàn)圖2(c)。

圖2 時(shí)變磁子強(qiáng)耦合及其時(shí)間雙縫衍射新效應(yīng)

利用PIM 的低能耗開(kāi)關(guān)與 trFCS 的快速探測(cè)，本研究發(fā)現(xiàn)，一、時(shí)變強(qiáng)耦合與啁啾型拉比振蕩：在泵浦脈沖上升沿，PIM 被點(diǎn)亮并與 WM 發(fā)生能量交換，交換節(jié)奏越來(lái)越快；在下降沿，這個(gè)節(jié)奏逐步變慢，見(jiàn)圖2(a)；二、時(shí)間界面的瞬態(tài)形成：在脈沖開(kāi)啟/關(guān)閉的瞬間，磁子頻譜發(fā)生分裂或合并，trFCS 捕捉到這一過(guò)程，見(jiàn)圖2(c)；三、時(shí)間雙縫衍射：當(dāng)使用一對(duì)間隔很近的時(shí)間界面（兩道“時(shí)間狹縫”）后，磁子波包穿過(guò)它們會(huì)在頻譜上形成等間距多峰的干涉條紋，條紋間距 Δf 與兩脈沖間隔 Δt 滿(mǎn)足反比關(guān)系：Δf ≈ 1/Δt，見(jiàn)圖2(d)。這一結(jié)果與經(jīng)典的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)高度一致，但從空間維度跨越到了時(shí)間維度。

本工作在磁子系統(tǒng)中首次實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到清晰的時(shí)間衍射，并成功演示了時(shí)間雙縫干涉。成功打破時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性，為系統(tǒng)獲得時(shí)間衍射的新自由度。用PIM 實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)時(shí)間開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了低能耗的磁子強(qiáng)耦合瞬態(tài)操控?；?PIM 的快速色散調(diào)制與 trFCS 的測(cè)量方法，也為時(shí)間維度的磁子器件與功能研究提供了可行路徑。

研究由上?？萍即髮W(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和浙江大學(xué)共同合作完成，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。饒金威研究員（現(xiàn)工作于山東大學(xué)）為論文第一作者。中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所姚碧霂研究員、山東大學(xué)柏利慧教授、上?？萍即髮W(xué)陸衛(wèi)教授為論文通訊作者。合作作者包括浙江大學(xué)王逸璞研究員、上?？萍即髮W(xué)李潤(rùn)澤教授。

文章題目：Time-Varying Strong Coupling and the Induced Time Diffraction of Magnon Modes

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/jc1c-k3ll