[论文解读] Bistability of Cavity Magnon Polaritons

Yi‐Pu Wang, Guo-Qiang Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2017

Mechanical and Optical Resonators被引用 6

一句话总结

本研究首次通过钇铁石榴石（YIG）球体中微波腔光子与自旋波（magnons）之间的强耦合，实验观测到腔体磁振子极化激元（CMPs）的双稳态行为。通过将YIG晶体的[100]或[110]轴与外磁场对齐，作者观测到由于克尔非线性系数为正或负而产生的顺时针与逆时针磁滞回线。通过在低分支上施加驱动场，实现了在非共振点处磁振子与腔光子的同步双稳态行为。

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.

研究动机与目标

• 观测并表征由强光子-磁振子耦合引起的腔体磁振子极化激元（CMPs）双稳态行为。
• 研究YIG球体的晶体取向（沿[100]或[110]方向）对双稳态特性的影响。
• 利用正或负系数的克尔非线性解释观测到的磁滞回线方向与频率偏移差异。
• 通过在非常非共振点驱动低分支，证明磁振子与腔光子在单一系统中可实现同步双稳态。
• 确立腔体磁振子学作为探索非线性量子现象与混合开关应用的平台。

提出的方法

• 将一个内径为1 mm的YIG球体嵌入三维铜腔体中，并置于由电磁铁产生的静态磁场中。
• 利用矢量网络分析仪通过端口1和2进行微波透射光谱测量以探测CMPs，同时通过端口3的微波源驱动系统。
• 依次将YIG球体的[100]和[110]晶体轴与磁场方向平行对齐，以研究取向依赖的非线性效应。
• 在CMP低分支上施加驱动场以诱导双稳态，系统性地调节频率失谐与驱动功率。
• 利用基于克尔非线性的理论模型对实验数据进行拟合，根据晶体取向确定非线性系数为正或负。
• 理论建模包括上分支与下分支CMP的频率随驱动功率与失谐的变化，与实验磁滞回线具有良好的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 YIG球体的晶体取向如何影响腔体磁振子极化激元的双稳态行为？
• RQ2 CMP频率响应中观测到的顺时针与逆时针磁滞回线的起源是什么？
• RQ3 是否可在单一系统中实现磁振子与腔光子的同步双稳态？若可以，其条件是什么？
• RQ4 在非共振区域，双稳态在多大程度上可通过驱动功率与频率失谐进行调控？
• RQ5 具有正或负系数的克尔非线性如何解释观测到的频率偏移差异与磁滞回线方向变化？

主要发现

• 本研究首次以确凿实验证据展示了腔体磁振子极化激元双稳态现象，是该领域的重要突破。
• 当[100]轴与磁场对齐时，观测到逆时针磁滞回线，表明克尔非线性系数为负。
• 当[110]轴与磁场对齐时，观测到顺时针磁滞回线，表明克尔非线性系数为正。
• 采用可变系数的克尔非线性模型进行理论拟合，成功再现了两种晶体取向下的实验磁滞回线。
• 在极低共振点处，通过驱动低分支，观测到磁振子（主导于低分支）与腔光子（主导于高分支）的同步双稳态。
• 实验测得上分支与下分支CMP频率偏移之比为 ξ ≈ 0.065，与理论预测一致。