著名的楊氏雙縫實驗展示了光的波動性。如果把“雙縫”刻在時間軸上，而不是刻在空間里，會出現怎樣的效應？上海科技大學陸衛教授團隊在磁子強耦合系統中實現了“時間雙縫”實驗，清晰觀測到時間衍射信號，展示了在時間維度上調控磁子強耦合態的可行性。這一成果近日發表于國際學術期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)，并被遴選為編輯推薦論文。
 

　　在傳統光學里，我們用空間結構來改變波的傳播路徑，本質上是打破空間的平移對稱性。近年來，科研人員開始研究時變介質：材料性質隨時間快速變化，從而打破時間的平移對稱性，產生時間反射、時間折射和時間衍射等現象。這種“在時間上做器件”的方式不受空間尺寸限制，切換速度快，已在光子學和聲學中被驗證。
 

　　在自旋電子學中，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，適合低能耗計算和量子混合系統。在其中實現時變磁子狀態的難點在于：如何在極短時間內顯著改變磁子的色散關系，并實時檢測到這種瞬態演化。傳統方法依賴很強的脈沖磁場，能耗高，也會破壞磁子的低損耗優勢。
 

　　圖1：示意圖。本工作利用時間狹縫實現對磁子強耦合態的相干調控，形成時間雙縫衍射現象。
 

　　團隊的突破點是利用光誘導磁子態(PIM)的非線性優勢來解決上述問題。PIM 的等效磁矩很小，只需納特斯拉量級的微波磁場就能“點亮/熄滅”，相當于一個低閾值的時間開關。當 PIM 與材料中另一個穩定磁子模式(WM)發生強耦合時，PIM 的快速產生和湮滅會在時間軸上形成清晰的“時間界面”，見圖2(a)。
 

　　為在納秒尺度上“看清楚”頻譜演化，團隊開發了時間分辨頻率梳光譜(trFCS)。該技術用兩束重復周期不同的微波脈沖(泵浦與探測)作為“兩把時間尺子”。通過掃描兩脈沖的時間差，并讀取探測脈沖生成的“頻率梳”隨時間的輪廓變化，trFCS 能在不被強泵浦干擾的情況下，給出磁子頻譜的瞬時快照，見圖2(c)。
 

圖2 時變磁子強耦合及其時間雙縫衍射新效應
 

　　利用PIM 的低能耗開關與 trFCS 的快速探測，本研究發現，一、時變強耦合與啁啾型拉比振蕩：在泵浦脈沖上升沿，PIM 被點亮并與 WM 發生能量交換，交換節奏越來越快；在下降沿，這個節奏逐步變慢，見圖2(a)；二、時間界面的瞬態形成：在脈沖開啟/關閉的瞬間，磁子頻譜發生分裂或合并，trFCS 捕捉到這一過程，見圖2(c)；三、時間雙縫衍射：當使用一對間隔很近的時間界面(兩道“時間狹縫”)后，磁子波包穿過它們會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 滿足反比關系：Δf ≈ 1/Δt，見圖2(d)。這一結果與經典的楊氏雙縫實驗高度一致，但從空間維度跨越到了時間維度。
 

　　本工作在磁子系統中首次實驗觀測到清晰的時間衍射，并成功演示了時間雙縫干涉。成功打破時間平移對稱性，為系統獲得時間衍射的新自由度。用PIM 實現納秒級時間開關，實現了低能耗的磁子強耦合瞬態操控。基于 PIM 的快速色散調制與 trFCS 的測量方法，也為時間維度的磁子器件與功能研究提供了可行路徑。
 

　　研究由上海科技大學、山東大學、中國科學院上海技術物理研究所和浙江大學共同合作完成，上海科技大學為第一完成單位。饒金威研究員(現工作于山東大學)為論文第一作者。中國科學院上海技術物理研究所姚碧霂研究員、山東大學柏利慧教授、上海科技大學陸衛教授為論文通訊作者。合作作者包括浙江大學王逸璞研究員、上海科技大學李潤澤教授。