[논문 리뷰] Observation of Magnon-Photon Strong Coupling and Clock Transition in Lithium Ferrite at milli-Kelvin Temperatures

Maxim Goryachev, Stuart Watt외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 27.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 밀리켈빈 온도에서 밀리미터파 단일결정 리튬 ferrite (LiFe)에서 마그논-광자 강결합을 입증하며, 9.5 GHz에서 250 MHz의 결합 강도(주파수의 2.6%)와 마이크로헤르츠 이하의 마그논 폭을 달 đạt했다. 이 시스템은 모드 연성과 조지프 효과로 인해 자기장 변화에 강건한 마그논 스핀 웨이브 클록 전이를 나타내어 하이브리드 양자 시스템에 유리하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 양자 시스템에 응용하기 위해 밀리켈빈 온도에서 단일결정 리튬 페라이트(LiFe)의 마그논-광자 상호작용을 탐구하기 위해.
• 작은 격자 구조로 인해 높은 스핀 밀도를 가지는 물질에서 마이크로파 광자와 마그논 간의 강결합을 달성하기 위해.
• 마그논 모드 연성과 조지프 효과의 상호작용을 연구하여 자기장 노이즈에 민감하지 않은 클록 전이를 실현하기 위해.
• 더 높은 스핀 밀도로 인해 양자 마그논 응용 분야에서 Yttrium Iron Garnet(YIG)보다 뛰어난 대안으로 LiFe를 평가하기 위해.

제안 방법

• 열 노이즈를 최소화하고 양자 양화를 향상시키기 위해 단일결정 LiFe 구형체를 밀리켈빈 온도로 냉각하기 위해.
• 마그논 에너지 준위를 조절하고 영역 근처에서 모드 연성을 유도하기 위해 가변적인 직류 자기장을 적용하기 위해.
• 고-Q 공진기 구성을 통해 마이크로파 주파수 자극을 이용해 광자-마그논 결합을 탐사하기 위해.
• 스펙트로스코픽 기법을 사용해 결합 강도와 마그논 폭을 측정하고 강결합 영역을 식별하기 위해.
• 조지프 분리와 마그논 연성의 병합 효과를 분석해 클록 전이 지점을 규명하기 위해.
• LiFe의 스핀 밀도와 결합 효율성을 YIG와 비교해 성능 우수성을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀리켈빈 온도에서 단일결정 리튬 페라이트에서 마그논-광자 강결합을 달성할 수 있는가?
• RQ2 LiFe에서 달성 가능한 결합 강도와 마그논 폭은 얼마이며, YIG와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 낮은 자기장에서의 마그논 모드 연성과 조지프 효과가 어떻게 상호작용하여 클록 전이를 생성하는가?
• RQ4 관측된 클록 전이가 일阶 자기장 변동에 대해 어느 정도 강건한가?
• RQ5 하이브리드 양자 시스템에서 스핀 밀도와 결합 효율성 측면에서 LiFe가 YIG를 뛰어넘을 수 있는가?

주요 결과

• 9.5 GHz에서 250 MHz의 결합 강도를 기록하며 마그논-광자 강결합을 관측했으며, 이는 주파수의 2.6%에 해당한다.
• 마그논 폭은 약 4 MHz로 측정되었으며, 향후 1MHz 이하로 향상될 가능성이 있다.
• LiFe의 작은 격자 구조 덕분에 YIG 대비 단위 부피당 스핀 수가 두 배로 증가해 결합 효율성이 향상된다.
• 낮은 직류 자기장에서의 마그논 모드 연성과 조지프 효과의 조합이 스핀 웨이브 클록 전이를 형성한다.
• 이 클록 전이들은 일阶 자기장 변동에 민감하지 않아 강건한 양자 정보 처리에 잠재력을 지닌다.
• 시스템은 YIG를 뛰어넘는 결합 성능을 보이며, 향후 하이브리드 양자 마그논 시스템에 있어 LiFe가 유망한 후보임을 시사한다.