[논문 리뷰] Bistability of Cavity Magnon Polaritons

Yi‐Pu Wang, Guo-Qiang Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 20.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 YIG 구에 마이크로파 공진기 광자와 스핀파 간의 강한 결합을 통해 캐비티 스핀파-플라존(CMPs)에서 이중성(stability)의 첫 실험적 관측을 보고한다. 자기장 방향과 YIG 결정의 [100] 또는 [110] 축을 일치시킴으로써, 킬러 비선형성의 양성 또는 음성 계수에 의해 서로 다른 시계방향 및 반시계방향 히스테리시스 루프를 관측하였으며, 하부 분지에서 드라이브 필드를 통해 비공진 조건에서 스핀파와 캐비티 광자가 동시에 이중성을 나타내는 것을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강한 광자-스핀파 결합에 기인한 캐비티 스핀파-플라존(CMPs)의 이중성 행동을 관측하고 특성화하는 것.
• YIG 구의 결정학적 정렬 방향([100] 또는 [110])이 이중성 특성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 양성 또는 음성 계수를 가진 킬러 비선형성을 사용하여 관측된 히스테리시스 루프 방향과 주파수 이동의 차이를 설명하는 것.
• 하부 분지에서 매우 비공진 조건에서 드라이브를 가함으로써 스핀파와 캐비티 광자가 동시에 이중성을 나타내는 것을 보여주는 것.
• 캐비티 스핀파학을 비선형 양자 현상 탐색 및 하이브리드 스위칭 응용 분야의 플랫폼으로 정립하는 것.

제안 방법

• 정적 자기장을 생성하는 electromagnet에 의해 둘러싸인 3D 구리 캐비티에 1-mm YIG 구를 내장한 구조를 사용한다.
• 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 포트 1과 2를 통해 CMPs를 탐지하고, 포트 3를 통해 마이크로파 소스로 시스템을 자극하는 마이크로파 전송 스펙트로스코피를 수행한다.
• YIG 구의 [100] 및 [110] 결정학적 축을 순차적으로 자기장 방향과 평행으로 정렬하여 결정 정렬에 따른 비선형 효과를 연구한다.
• 하부 분지에 드라이브 필드를 적용하여 이중성을 유도하고, 주파수 이격과 전력 수준을 체계적으로 변화시킨다.
• 실험 데이터는 킬러 비선형성 기반 이론 모델을 사용하여 피팅하며, 결정 정렬에 따라 계수의 부호가 양성 또는 음성으로 결정된다.
• 이론적 모델링은 드라이브 전력과 이격에 따른 상부 및 하부 분지 CMP의 주파수 이동을 포함하며, 실험적 히스테리시스 루프와 양호한 일치를 보인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YIG 구의 결정학적 정렬 방향이 캐비티 스핀파-플라존의 이중성 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 CMP 주파수 응답에서 관측된 시계방향 및 반시계방향 히스테리시스 루프의 기원은 무엇인가?
• RQ3 스핀파와 캐비티 광자가 동시에 한 시스템 내에서 이중성을 나타낼 수 있는가, 만약 가능하다면 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ4 비공진 영역에서 드라이브 전력과 주파수 이격를 통해 이중성은 어느 정도 제어 가능한가?
• RQ5 양성 또는 음성 계수를 가진 킬러 비선형성이 관측된 주파수 이동과 히스테리시스 방향의 차이를 어떻게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 이중성의 실험적 관측은 캐비티 스핀파학 시스템에서 이 현상에 대한 첫 번째 설득력 있는 증거이다.
• YIG의 [100] 축을 자기장 방향과 일치시킬 경우 반시계방향 히스테리시스 루프가 관측되며, 이는 음성 킬러 비선형성 계수를 나타낸다.
• YIG의 [110] 축을 자기장 방향과 일치시킬 경우 시계방향 히스테리시스 루프가 나타나며, 이는 양성 킬러 비선형성 계수를 나타낸다.
• 변수 계수를 가진 킬러 비선형성 모델을 사용한 이론적 피팅이 두 결정학적 정렬 방향 모두에서 실험적 히스테리시스 루프를 성공적으로 재현하였다.
• 매우 비공진 조건에서 하부 분지를 자극함으로써, 하부 분지에서 주로 영향을 받는 스핀파와 상부 분지에서 주로 영향을 받는 캐비티 광자가 동시에 이중성을 나타내는 것이 관측되었다.
• 상부 및 하부 분지 CMP의 주파수 이동 비율은 실험적으로 ξ ≈ 0.065로 피팅되었으며, 이는 이론적 예측과 일치한다.