[論文レビュー] Strong coupling-enabled broadband non-reciprocity

Xufeng Zhang, Alexey Galda+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 29被引用数 13

ひとこと要約

本論文では、YIG球におけるチラルなマイクロ波キャビティモードと磁気モーメント（magnon）の強い結合を用いて、広帯域非相反性マイクロ波デバイスを提案する。チラル選択則を活用することで、システムは0.5 GHz帯域幅にわたり非相反性を実現し、従来の手法と比較して2桁以上広い帯域幅を達成した。これにより、古典的および量子系におけるロバストで、チューナブルかつコherentな情報処理が可能となる。

ABSTRACT

Non-reciprocity of signal transmission enhances capacity of communication channels and protects transmission quality against possible signal instabilities, thus becoming an important component ensuring coherent information processing. However, non-reciprocal transmission requires breaking time-reversal symmetry (TRS) which poses challenges of both practical and fundamental character hindering the progress. Here we report a new scheme for achieving broadband non-reciprocity using a specially engineered hybrid microwave cavity. The TRS breaking is realized via strong coherent coupling between a selected chiral mode in the microwave cavity and a single collective spin excitation (magnon) in a ferromagnetic yttrium iron garnet (YIG) sphere. The non-reciprocity in transmission is observed spanning nearly a 0.5 GHz frequency band, which outperforms by two orders of magnitude the previously achieved bandwidths. Our findings open new directions for robust coherent information processing in a broad range of systems in both classical and quantum regimes.

研究の動機と目的

• 既存の非相反性デバイスが有する狭帯域制限を克服すること。
• チューナビリティやコherencyを損なわずに広帯域非相反性を達成すること。
• 磁気モーメントと円偏光光子のチラル相互作用を活用し、時間反転対称性を効果的に破ること。
• 古典的および量子系におけるロバストなコherent情報処理のためのスケーラブルなプラットフォームを実証すること。

提案手法

• 直交する二つのデゲネレートしたチラルモード（時計回りおよび反時計回りの円偏光）を支持する、基板統合波導型（SIW）マイクロ波キャビティを設計した。
• 集団スピン励起（magnon）を有するYIG球を統合し、その磁気モーメントが共通チラル性を持つマイクロ波光子にのみ強く結合するようにした。
• チラル選択則を用いた：同一チラル性の磁気モーメント-光子ペアのみが相互作用し、逆チラル性ペアは結合しない。
• 正方形キャビティ（Nx=Ny=9）のデゲネレートモード構成を採用し、異なるポートからの励起によってキャビティ中心で円偏光マイクロ波場が生成されることを可能にした。
• 強い結合を有するスピンボソンハミルトニアンを用いてシステムをモデル化し、線形および円偏光基底における透過行列を導出した。
• 結合モード理論を用いて透過（S12およびS21）を計算し、入力ポートを切り替えた際にチラル性の反転が生じ、非相反性が顕在することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チラルなマイクロ波モードと磁気モーメントの強い結合が、広帯域非相反性を実現可能か？
• RQ2 円偏光を介したチラル選択則の適用が、非相反的透過をどのように向上させるか？
• RQ3 チラルモードを設計した磁気モーメント-光子ハイブリッド系における非相反性の実現可能な帯域幅はどの程度か？
• RQ4 広帯域範囲にわたり高いコherencyを維持したまま非相反性を保持できるか？

主な発見

• 実験的に、ほぼ0.5 GHz帯域幅にわたり非相反性が観測された。これは、従来の広帯域非相反性システムと比較して2桁以上優れた性能である。
• 磁気モーメントモードがキャビティ中心で形成される円偏光マイクロ波モードと共鳴する際、強い非相反性を示した。
• 帯域幅中央部で透過非対称性（S12 ≠ S21）が最大15 dBに達し、強い非相反的挙動が確認された。
• 円モード基底における理論的モデリングにより、磁気モーメントに結合するのは1つの円モードに限ることが確認され、チラル選択則の妥当性が裏付けられた。
• 強い結合（g ≈ 100 MHz）と低損失により、高いコherencyを維持しており、量子情報処理への応用が可能である。
• 観測された非相反性は、入力信号とキャビティモードの相対的チラル性に依存するため、ロバストでチューナブルである。