[論文レビュー] Bistability of Cavity Magnon Polaritons

Yi‐Pu Wang, Guo-Qiang Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2017

Mechanical and Optical Resonators被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、YIG球体内のマイクロ波キャビティ光子と磁気モーメントの強い結合を介して、キャビティ磁気モーメント極化子（CMPs）における二価性の最初の実験的観測を報告している。YIG結晶の[100]または[110]軸を磁場と一致させることで、正または負の係数を有するケル核非線形性に起因する、反時計回りおよび時計回りのヒステリシスループが観測され、下位分岐における駆動場励起により、非共鳴点で磁気モーメントとキャビティ光子の両方の同時二価性が実証された。

ABSTRACT

We report the first observation of the magnon-polariton bistability in a cavity magnonics system consisting of cavity photons strongly interacting with the magnons in a small yttrium iron garnet (YIG) sphere. The bistable behaviors are emerged as sharp frequency switchings of the cavity magnon-polaritons (CMPs) and related to the transition between states with large and small number of polaritons. In our experiment, we align, respectively, the [100] and [110] crystallographic axes of the YIG sphere parallel to the static magnetic field and find very different bistable behaviors (e.g., clockwise and counter-clockwise hysteresis loops) in these two cases. The experimental results are well fitted and explained as being due to the Kerr nonlinearity with either positive or negative coefficient. Moreover, when the magnetic field is tuned away from the anticrossing point of CMPs, we observe simultaneous bistability of both magnons and cavity photons by applying a drive field on the lower branch.

研究の動機と目的

• 強い光子-磁気モーメント結合に起因するキャビティ磁気モーメント極化子（CMPs）の二価的挙動の観測および特徴付け。
• YIG球体の結晶指向（[100]または[110]に沿わせた場合）が二価性特性に与える影響の調査。
• 正または負の係数を有するケル非線形性を用いて、観測されたヒステリシスループの方向および周波数シフトの差異を説明。
• 下位分岐を駆動することにより、非共鳴点で磁気モーメントとキャビティ光子の両方の同時二価性を実証。
• キャビティ磁気モーメント工学を、非線形量子現象の探索およびハイブリッドスイッチング応用のためのプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 1-mmのYIG球体を埋め込んだ3次元銅キャビティを静磁場（電磁石で生成）中に配置。
• ポート1および2を介してCMPsをプローブするためのマイクロ波透過スペクトロスコピーを、ベクトルネットワークアナライザーを用いて実施。ポート3を介してマイクロ波ソースがシステムを駆動。
• YIG球体の[100]および[110]結晶指向を順次磁場と平行に整列させ、結晶指向依存の非線形効果を調査。
• 下位分岐に駆動場を印加して二価性を誘発し、周波数のずれと駆動パワーを系統的に変化。
• 実験データは、係数が結晶指向に応じて正または負となるケル非線形性に基づく理論モデルでフィッティング。
• 理論的モデリングでは、駆動パワーおよびずれの関数として上位分岐および下位分岐CMPsの周波数シフトを含み、実験的ヒステリシスループと良好に一致。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YIG球体の結晶指向が、キャビティ磁気モーメント極化子の二価性挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 CMP周波数応答における観測された反時計回りおよび時計回りのヒステリシスループの起源は何か？
• RQ3 磁気モーメントとキャビティ光子の両方の同時二価性が、1つの系で達成可能か。その場合、どのような条件下で達成されるか？
• RQ4 非共鳴領域において、駆動パワーおよび周波数ずれをどのように制御することで、二価性を制御できるか？
• RQ5 正または負の係数を有するケル非線形性は、観測された周波数シフトおよびヒステリシス方向の差異をどのように説明できるか？

主な発見

• CMPの二価性の実験的観測は、キャビティ磁気モーメント工学系において、この現象の最初の信頼できる実証である。
• [100]軸を磁場と一致させた場合、反時計回りのヒステリシスループが観測され、負のケル非線形性係数を示す。
• [110]軸を磁場と一致させた場合、時計回りのヒステリシスループが出現し、正のケル非線形性係数を示す。
• 係数を可変とするケル非線形性モデルを用いた理論的フィッティングは、両結晶指向に対して実験的ヒステリシスループを良好に再現した。
• 非常に非共鳴点において、下位分岐を駆動したとき、磁気モーメント（下位分岐に支配的）とキャビティ光子（上位分岐に支配的）の両方の同時二価性が観測された。
• 上位分岐および下位分岐CMPsの周波数シフト比は、実験的に ξ ≈ 0.065 にフィッティングされ、理論的予測と整合的であった。