利用微聚焦布里渊散射技术清晰捕捉纳米级自旋波的完整波动信息

磁振子是自旋波的量子，作为物质的磁激发，其频率范围从亚千兆赫兹到太赫兹，广泛存在于整个晶体的布里渊区，在饱和磁化强度随温度升高而降低、玻色-爱因斯坦凝聚等诸多现象中发挥关键作用。然而，现有的实验技术在波矢测量方面存在局限，无法分辨波矢介于30至300 rad μm⁻¹之间的磁振子，这一范围成为研究的空白区域。

为填补这一空白，本研究提出了一种新方法：通过具有米氏共振的周期性介电纳米条带来定制布里渊光散射（BLS）过程。实验装置采用桌面式微聚焦布里渊光散射系统，将绿色激光（532 nm）通过物镜聚焦到样品上，样品由沉积在硅衬底上的坡莫合金薄膜（27.6 nm厚）及上方周期性排列的硅纳米条带组成。纳米条带的周期性结构使得入射光的波矢与纳米条带阵列的晶格矢量叠加，类似于周期性势场中的波传播，同时由于纳米条带为非磁性材料，不会改变自旋波的色散关系，保证了对原始材料系统中自旋波的探测。

研究中利用电磁学的互易定理简化了散射问题，通过有限差分时域（FDTD）模拟获取电场分布，并推导出探测到的BLS信号表达式。结果表明，该方法的传递函数在周期性的整数倍处出现极大值，实现了对特定波矢自旋波的方向和大小敏感性。通过使用不同周期（150至300 nm）的纳米条带阵列，在低（50 mT）和高（550 mT）磁场下测量BLS信号，成功提取了坡莫合金薄膜的磁振子色散关系，验证了该方法能够分辨波矢高达200 rad μm⁻¹的磁振子，且信号强度与裸膜测量相当或更高。此外，通过改变外磁场与磁振子波矢的夹角，观察到磁振子频率的角依赖性，与理论预测一致。

该技术在桌面装置中实现了此前无法测量的波矢范围，并提供全波矢分辨能力，不仅填补了磁振子研究中的实验空白，为磁振子相关的基础物理现象（如整个布里渊区的自旋波特性）及计算和微波器件应用的实验研究提供了新工具，还可推广应用于其他物质激发（如声子）的研究，有望在超快磁学、机械生物学等领域开辟新的可能性，推动凝聚态物理中波矢分辨光谱学的发展。