[論文レビュー] Magnon-polaritons in Microwave Cavities

Yunshan Cao, Peng Yan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Strong Light-Matter Interactions参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、キャビティ内で磁気フォノンとマイクロ波光子が強く結合し、スピンと光子のダイナミクスがコherentであるハイブリッド準粒子、磁気フォノンポラリトンを形成することを示している。YIG球を用いたマイクロ波キャビティにおいて、2.5 GHzのラビ分裂が観測され、強い結合が確認され、マイクロ波場を用いたコherentなスピン制御が可能になった。

ABSTRACT

Yunshan Cao1, Peng Yan1, Hans Huebl2,3, Sebastian T.B. Goennenwein2,3, and Gerrit E.W. Bauer4,1 Kavli Institute of NanoScience, Delft University of Technology, Lorentzweg 1, 2628 CJ Delft, The Netherlands 2Walther-Meisner-Institute, Bayerische Akademie der Wissenschaften, 85748 Garching, Germany 3Nanosystems Initiative Munich, D-80799 Munchen, Germany and 4Institute for Materials Research and WPI-AIMR, Tohoku University, Sendai 980-8577, Japan (Dated: January 27, 2015)

研究の動機と目的

• コherentスピン光子相互作用を実現するため、キャビティ内での磁気フォノンとマイクロ波光子の強い結合を達成すること。
• YIG球を用いたマイクロ波キャビティ内での磁気フォノンポラリトンがハイブリッド準粒子として形成されることを実証すること。
• 強い結合の兆候としてのラビ分裂エネルギーを測定し、スピン光子相互作用の強度を定量化すること。
• 磁気フォノンポラリトンが量子情報処理およびスピントロニクス応用の分野における可能性を検討すること。
• 制御されたキャビティ環境下で、量子スピンダイナミクスおよびスピンラティス相互作用を研究するためのプラットフォームを提供すること。

提案手法

• 高Qのマイクロ波キャビティ内に単結晶ヨッブイナイトール鉄ガーネット（YIG）球を用いて磁気フォノン源とすること。
• 強い結合を示す避難準位クロスイングを検出するために、マイクロ波透過スペクトルを測定すること。
• 2つのポラリトン準位間のラビ分裂エネルギー（ΔRabi）を分析し、スピン光子結合強度の直接的な指標とする。
• スピンハミルトニアンおよびキャビティ量子電磁力学（キャビティQED）に基づく理論モデルを用いて、系を記述すること。
• マイクロ波駆動場を用いて、磁気フォノンポラリトン状態をコherentに操作し、そのダイナミクスをプローブすること。
• 観測されたラビ分裂から、g = ΔRabi / 2 を用いて結合強度gを測定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YIG球内の磁気フォノンは、高Qキャビティ内のマイクロ波光子と強く結合し、磁気フォノンポラリトンを形成できるか？
• RQ2 ラビ分裂の大きさは何か？ そして、磁気フォノンと光子の間の強い結合をどのように確認できるか？
• RQ3 マイクロ波駆動による磁気フォノンポラリトンの励起は、スピン状態のコherent制御をどのように可能にするか？
• RQ4 YIG球の磁気的性質およびキャビティのQファクターは、結合強度にどのように寄与するか？
• RQ5 観測された磁気フォノンポラリトン状態は、量子情報処理のためのプラットフォームとして利用可能か？

主な発見

• 実験により、透過スペクトルにおける明確な避難準位クロスイングが観測され、磁気フォノンとマイクロ波光子の強い結合が裏付けられた。
• 2.5 GHzのラビ分裂が観測され、磁気フォノンモードと光子モードの間の結合強度g ≈ 1.25 GHzであることが示された。
• マイクロ波駆動を用いた磁気フォノンポラリトン状態のコherent励起が確認され、量子制御の可能性が裏付けられた。
• 観測された結合強度は、キャビティのQファクターおよびYIG球内の磁気減衰に制限されている。
• 理論的予測と整合的であり、キャビティQEDにおける磁気フォノンの観点から、2つの明確なポラリトン準位ブランチと避難クロスイングが観測された。
• 本研究は、制御されたキャビティ環境下で、量子スピンダイナミクスおよびスピンラティス相互作用を研究するためのプラットフォームを確立した。