[논문 리뷰] Polaromechanics: cavity-magnon polaritons strongly coupled to phonons

Ruichang Shen, Jie Li외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 21.

Mechanical and Optical ResonatorsPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 캐비티 마그네틱 메커니컬 시스템에서 일관된 완전 흡수(CPA)를 이용하여 기계 진동자와 캐비티-마그논 폴라리톤(CMP) 간의 강한 결합을 구현함으로써 폴라리톤의 붕괴 속도를 네 자리 수 감소시켰다. 이로 인해 폴라리톤-기계 시스템의 코operativity는 $4 \times 10^3$에 도달하였으며, 이는 정상 모드 분리의 관측과 함께 광자, 마그논, 진동자 상태 간의 협동 양자 제어에 필수적인 삼중-강한결합 영역을 확립하는 데 기여한다.

ABSTRACT

Building hybrid quantum systems is a crucial step for realizing multifunctional quantum technologies, quantum information processing, and hybrid quantum networks. A functional hybrid quantum system requires strong coupling among its components. However, couplings between distinct physical systems are typically very weak. Experimental realization of strong coupling in a hybrid system remains a long-standing challenge, especially when it has multiple components and the components are of different nature. Here we demonstrate the realization of triple strong coupling in a novel {\it polaromechanical} hybrid system, where polaritons, formed by strongly coupled ferromagnetic magnons and microwave photons, are further strongly coupled to phonons. The corresponding polaromechanical normal-mode splitting is observed. A high polaromechanical cooperativity of $9.4 imes10^3$ is achieved by significantly reducing the polariton decay rate via exploiting coherent perfect absorption. The quantum cooperativity much greater than unity is achievable if placing the system at cryogenic temperatures, which would enable various quantum applications. Our results pave the way towards coherent quantum control of photons, magnons and phonons, and are a crucial step for building functional hybrid quantum systems based on magnons.

연구 동기 및 목표

• 캐비티 마그네틱 메커니컬(CMM) 시스템에서 기계 진동자와 캐비티-마그논 폴라리톤(CMP) 간의 강한 결합을 달성하기 위해.
• 이전의 CMM 실험에서의 약한 결합 한계를 극복하기 위해 폴라리톤 붕괴 속도를 감소시키고 결합 강도를 향상시키기 위해.
• 삼중-강한결합 영역에 도달함으로써 광자, 마그논, 진동자 상태 간의 협동 양자 제어를 가능하게 하기 위해.
• 다성분 하이브리드 시스템에서의 강한 결합 및 비선형 효과를 연구하기 위한 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 마이크로파 캐비티에서 효과적 증폭을 유도하기 위해 일관된 완전 흡수(CPA)를 활용하여 캐비티 손실를 상쇄하고 CMP 모드의 효과적 붕괴 속도를 감소시킴.
• CPA 조건에서 시스템을 작동시켜 폴라리톤 붕괴 속도를 약 3.43 kHz에서 약 0.48 kHz로 네 자리 수 감소시킴.
• 자기적 변형을 통해 마그논과 결합되는 기계 진동자로 대규모 YIG 구를 사용함.
• 마이크로파 드라이브를 이용해 폴라리톤 주파수를 조절하고 마그논 자기 Kerr 효과를 유도하여 상부 분지 폴라리톤의 연속적인 주파수 조절을 가능하게 함.
• 반사 스펙트럼 측정을 통해 강한 결합의 징후인 정상 모드 분리 및 반대칭 분리 행동을 관측함.
• 결합 강도와 효과적 붕괴 속도의 비율을 통해 코operativity $C_{\rm{+,b}}$를 정량화하여 $4 \times 10^3$을 달성함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMM 시스템에서 기계 진동자와 캐비티-마그논 폴라리톤 간의 강한 결합을 달성할 수 있는가?
• RQ2 캐비티-마그논 폴라리톤의 붕괴 속도를 충분히 감소시켜 강한 결합을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 결과적으로 도달한 코operativity는 얼마이며, 이는 이전의 CMM 실험과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 정상 모드 분리 및 반대칭 분리 특징을 관측할 수 있는가? 이는 삼중-강한결합 영역을 확인하는 데 기여하는가?
• RQ5 진동자, 광자, 마그논 상태의 양자 상태 준비에 있어 어떤 함의를 지니는가?

주요 결과

• CPA를 통해 폴라리톤 붕괴 속도가 약 3.43 kHz에서 약 0.48 kHz로 네 자리 수 감소함.
• 시스템은 폴라리톤-기계 코operativity $C_{\rm{+,b}} \approx 4 \times 10^3$을 달성하였으며, 이는 이전 CMM 실험 대비 약 세 자리 수 향상된 결과임.
• 정상 모드 분리가 관측되었으며, 분리 에너지는 $2G_{+}$였고, 이는 강한 결합을 확인하는 데 기여함. $G_{+}$는 10.32 dBm 드라이브 전력에서 23.19 kHz로 증가함.
• 폴라리톤 주파수를 기계 측면대역을 통해 조정함에 따라 정상 모드 스펙트럼에서 반대칭 분리 현상이 관측되어 수준의 반발이 발생함을 나타냄.
• 시스템은 삼중-강한결합 영역에서 작동하며, 이는 마이크로파 광자, 마그논, 진동자의 하이브리드 모드임.
• 향상된 코operativity는 기계 냉각 효율을 크게 향상시키고, 진동자 레이저 작동의 임계값을 낮춤.