[論文レビュー] Observation of Magnon-Photon Strong Coupling and Clock Transition in Lithium Ferrite at milli-Kelvin Temperatures

Maxim Goryachev, Stuart Watt+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Mechanical and Optical Resonators被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ミリケルビン温度でのサブミリ波長単結晶リチウムフェリット（LiFe）において、磁振子-光子強い結合を実証した。9.5 GHzで250 MHzの結合強度（周波数の2.6%）を達成し、磁振子線幅は1 MHz未塔の水準にまで低下した。この系は、モード軟化とゼーマン効果に起因する磁場調整可能な磁振子スピン波クロック遷移を示し、磁場ゆらぎに対して耐性を示すため、ハイブリッド量子系に適している。

ABSTRACT

Single crystal Lithium Ferrite (LiFe) spheres of sub-mm dimension are examined at mK temperatures, microwave frequencies and variable DC magnetic field, for use in hybrid quantum systems and condensed matter and fundamental physics experiments. The strong coupling regime of the photon-magnon interaction was observed with coupling strength of 250MHz at 9.5GHz (2.6\%) and Magnon linewidths of order 4MHz (with potential improvement to sub-MHz values). The photon-magnon coupling can be significantly improved and exceed that of the widely used Yttrium Iron Garnet crystal, due to the small unit cell of LiFe, allowing twice more spins per unit volume. Magnon mode softening was observed at low DC fields and combined with the normal Zeeman effect, creates magnon spin wave clock transitions, which are insensitive to first order magnetic field fluctuations and could potentially be exploited in hybrid quantum magnonic systems.

研究の動機と目的

• ミリケルビン温度下での単結晶リチウムフェリット（LiFe）における磁振子-光子相互作用を調査し、ハイブリッド量子系への応用を目的とする。
• 小さな単位格子を有する材料の高いスピン密度に起因する、マイクロ波光子と磁振子の強い結合を達成することを目的とする。
• 磁振子モードの軟化とゼーマン効果の相乗効果を調査し、磁場ノイズに敏感でないクロック遷移を実現することを目的とする。
• 高いスピン密度を有することから、LiFeが量子磁気的応用においてイットリウム鉄ガーネット（YIG）よりも優れた代替材料であるかどうかを評価することを目的とする。

提案手法

• 熱雑音を低減し、量子コherenceを向上させるために、単結晶LiFe球体をミリケルビン温度まで冷却する。
• 磁振子エネルギー準位を調整し、ゼロ磁場付近でのモード軟化を誘発するために、可変の直流磁場を印加する。
• 高Qファイバー構成のキャビティでマイクロ波周波数の励起を用いて、光子-磁振子結合をプローブする。
• 分光的手法を用いて結合強度と磁振子線幅を測定し、強い結合領域を同定する。
• ゼーマン分裂と磁振子軟化の併存効果を分析し、クロック遷移点を特定する。
• LiFeとYIGのスピン密度および結合効率を比較し、性能上の優位性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリケルビン温度下での単結晶リチウムフェリットにおいて、磁振子-光子強い結合を達成できるか？
• RQ2 LiFeにおける達成可能な結合強度と磁振子線幅はどの程度であり、YIGと比較してどう異なるか？
• RQ3 低磁場における磁振子モード軟化とゼーマン効果がどのように相互作用し、クロック遷移を生成するか？
• RQ4 観測されたクロック遷移は、1次磁場ゆらぎに対してどの程度耐性を示すか？
• RQ5 ハイブリッド量子系において、LiFeがスピン密度および結合効率の面でYIGを上回る可能性はどの程度か？

主な発見

• 9.5 GHzで250 MHzの結合強度を示す磁振子-光子強い結合が観測された。これは周波数の2.6%に相当する。
• 磁振子線幅は約4 MHzで測定されたが、1 MHz未塔の水準への向上が可能である。
• LiFeの小さな単位格子により、YIGに比べて体積当たりのスピン数が2倍に増加し、結合効率が向上する。
• 低直流磁場における磁振子モード軟化とゼーマン効果の組み合わせにより、スピン波クロック遷移が形成された。
• これらのクロック遷移は、1次磁場ゆらぎに対して不感であるため、耐障害性のある量子情報処理への応用が有望である。
• 本系はYIGを上回る結合性能を示しており、LiFeが将来のハイブリッド量子磁気的系の有力候補であることが示された。