[论文解读] Magnon-polaritons in Microwave Cavities

Yunshan Cao, Peng Yan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Strong Light-Matter Interactions参考文献 1被引用 1

一句话总结

本文展示了在谐振腔中磁振子与微波光子的强耦合，形成磁振子-极化子——一种具有自旋与光子相干动力学的混合准粒子。通过在微波谐振腔中使用钇铁石榴石（YIG）球体，作者观测到2.5 GHz的拉比劈裂，证实了强耦合并实现了通过微波场对自旋的相干控制。

ABSTRACT

Yunshan Cao1, Peng Yan1, Hans Huebl2,3, Sebastian T.B. Goennenwein2,3, and Gerrit E.W. Bauer4,1 Kavli Institute of NanoScience, Delft University of Technology, Lorentzweg 1, 2628 CJ Delft, The Netherlands 2Walther-Meisner-Institute, Bayerische Akademie der Wissenschaften, 85748 Garching, Germany 3Nanosystems Initiative Munich, D-80799 Munchen, Germany and 4Institute for Materials Research and WPI-AIMR, Tohoku University, Sendai 980-8577, Japan (Dated: January 27, 2015)

研究动机与目标

• 在谐振腔中实现磁振子与微波光子的强耦合，以实现自旋-光子的相干相互作用。
• 在微波谐振腔中的YIG球体中，展示磁振子-极化子作为混合准粒子的形成。
• 以拉比劈裂作为强耦合的特征，测量其并量化自旋-光子相互作用强度。
• 探索磁振子-极化子在量子信息处理和自旋电子学应用中的潜力。
• 为在受控谐振腔环境中研究量子自旋动力学与自旋-晶格相互作用提供平台。

提出的方法

• 采用单晶钇铁石榴石（YIG）球体作为谐振腔中磁振子的源。
• 通过测量微波透射谱，探测强耦合所对应的反交叉现象。
• 分析两个极化子分支之间的拉比劈裂能量（ΔRabi），作为自旋-光子耦合强度的直接度量。
• 基于自旋哈密顿量和腔量子电动力学（腔QED）的理论模型描述该系统。
• 施加微波驱动场，以相干方式操控磁振子-极化子态并探测其动力学。
• 利用观测到的拉比劈裂，通过公式 g = ΔRabi / 2 计算耦合强度 g。

实验结果

研究问题

• RQ1 YIG球体中的磁振子是否能在高品质因数谐振腔中与微波光子强耦合，形成磁振子-极化子？
• RQ2 拉比劈裂的大小是多少？它如何证实磁振子与光子之间的强耦合？
• RQ3 微波驱动激发磁振子-极化子如何实现对自旋态的相干控制？
• RQ4 YIG球体的磁性特性与谐振腔的品质因数在决定耦合强度方面起什么作用？
• RQ5 所观测到的磁振子-极化子态能否作为量子信息处理的平台？

主要发现

• 实验表明磁振子与微波光子之间存在强耦合，其证据是透射谱中清晰的反交叉现象。
• 观测到2.5 GHz的拉比劈裂，表明磁振子与光子模式之间的耦合强度 g ≈ 1.25 GHz。
• 通过微波驱动实现了对磁振子-极化子态的相干激发，证实其在量子控制中的潜力。
• 观测到的耦合强度受谐振腔品质因数和YIG球体磁阻尼的限制。
• 该系统支持两个具有反交叉的独立极化子分支，与磁振子腔QED理论预测一致。
• 结果建立了一个在受控谐振腔环境中研究量子自旋动力学与自旋-晶格相互作用的平台。