6G通信技术新突破：科学家在CSL磁性材料中检测到空前的高频集体共振

2022-06-22 04:57:01  信息编号：K221151  浏览次数：71

6G什么时候成为现实？

实现第六代 (6G) 无线通信系统的前提是要开发合适的磁性材料。大阪城市大学的科学家及其同事在手性自旋孤子晶格 (CSL) 的磁性上层结构中检测到了前所未有的高频集体共振，揭示了承载 CSL 的手性螺旋磁体作为 6G 技术的有前途的材料。该研究发表在《物理评论快报》上。

未来的通信技术需要将频段从目前的几千兆赫(GHz) 扩展到 100 GHz 以上。鉴于通信设备中使用的现有磁性材料只能在具有实用强度的磁场下共振和吸收高达约 70 GHz 的微波，因此这种高频率是不可能的。针对这一知识和技术差距，由大阪城市大学的 Yoshihiko Togawa 教授领导的研究团队深入研究了螺旋自旋上层结构 CSL。

“CSL 具有可调谐的周期性结构，这意味着它可以通过改变外部磁场强度来连续调制，”Togawa 教授解释说：“CSL 声子模式或集体共振模式——当 CSL 的扭结围绕其平衡位置集体振荡时——允许比传统铁磁材料更宽的频率范围。这种 CSL 声子模式在理论上已被理解，但从未在实验中观察到。”

为了寻求 CSL 声子模式，该团队在 CrNb 3 S 6上进行了实验，这是一种承载 CSL 的典型手性磁晶体。他们首先在 CrNb 3 S 6中产生 CSL，然后观察其在变化的外部磁场强度下的共振行为。专门设计的微波电路用于检测磁共振信号。

研究人员观察到三种模式的共振，即“基特尔模式”、“不对称模式”和“多共振模式”。在 Kittel 模式中，类似于在传统铁磁材料中观察到的情况，只有当磁场强度增加时共振频率才会增加，这意味着创建 6G 所需的高频将需要不切实际的强磁场。在不对称模式下也没有发现 CSL 声子。

在多共振模式下，检测到CSL声子；与目前使用的磁性材料观察到的情况相反，当磁场强度降低时，频率会自发增加。这是一种前所未有的现象，可能会在相对较弱的磁场下将频率提升到 100 GHz 以上——这种提升是实现 6G 可操作性的急需机制。

“我们第一次成功地观察到了这种共振运动，”第一作者 Yusuke Shimamoto 博士指出：“由于其优异的结构可控性，谐振频率可以控制在高达亚太赫兹波段的宽带范围内。这种宽带和可变频率特性超过5G，有望用于下一代通信技术的研发。”