[论文解读] Observation of Magnon-Photon Strong Coupling and Clock Transition in Lithium Ferrite at milli-Kelvin Temperatures

Maxim Goryachev, Stuart Watt+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Mechanical and Optical Resonators被引用 1

一句话总结

本研究在毫开尔文温度下实现了亚毫米单晶铁酸锂（LiFe）中自旋波-光子强耦合，于9.5 GHz频率下达到250 MHz的耦合强度（占频率的2.6%），且自旋波线宽低于1 MHz。该系统通过模式软化与塞曼效应实现磁场可调的自旋波钟形跃迁，对磁场波动具有鲁棒性，适用于混合量子系统。

ABSTRACT

Single crystal Lithium Ferrite (LiFe) spheres of sub-mm dimension are examined at mK temperatures, microwave frequencies and variable DC magnetic field, for use in hybrid quantum systems and condensed matter and fundamental physics experiments. The strong coupling regime of the photon-magnon interaction was observed with coupling strength of 250MHz at 9.5GHz (2.6\%) and Magnon linewidths of order 4MHz (with potential improvement to sub-MHz values). The photon-magnon coupling can be significantly improved and exceed that of the widely used Yttrium Iron Garnet crystal, due to the small unit cell of LiFe, allowing twice more spins per unit volume. Magnon mode softening was observed at low DC fields and combined with the normal Zeeman effect, creates magnon spin wave clock transitions, which are insensitive to first order magnetic field fluctuations and could potentially be exploited in hybrid quantum magnonic systems.

研究动机与目标

• 探索单晶铁酸锂（LiFe）在毫开尔文温度下的自旋波-光子相互作用，以应用于混合量子系统。
• 在单位晶胞小、自旋密度高的材料中，实现微波光子与自旋波的强耦合。
• 研究自旋波模式软化与塞曼效应的相互作用，实现对磁场噪声不敏感的钟形跃迁。
• 评估LiFe在自旋密度和耦合效率方面是否优于钇铁石榴石（YIG），以适用于量子自旋子应用。

提出的方法

• 将单晶LiFe球体冷却至毫开尔文温度，以最小化热噪声并增强量子相干性。
• 施加可变的直流磁场，调节自旋波能级，并在零场附近诱导模式软化。
• 利用微波频率激发，在高品质因数谐振腔结构中探测光子-自旋波耦合。
• 通过光谱技术测量耦合强度与自旋波线宽，以识别强耦合区域。
• 分析塞曼分裂与自旋波软化的共同效应，以确定钟形跃迁点。
• 比较LiFe与YIG的自旋密度和耦合效率，评估性能优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在毫开尔文温度下于单晶铁酸锂中实现自旋波-光子强耦合？
• RQ2 LiFe中可实现的耦合强度与自旋波线宽是多少？与YIG相比有何差异？
• RQ3 低磁场下自旋波模式软化如何与塞曼效应相互作用，从而产生钟形跃迁？
• RQ4 所观测到的钟形跃迁在多大程度上对一阶磁场波动具有鲁棒性？
• RQ5 LiFe在自旋密度和耦合效率方面是否优于YIG，适用于混合量子系统？

主要发现

• 观测到自旋波-光子强耦合，耦合强度为250 MHz（9.5 GHz频率下，占频率的2.6%）。
• 自旋波线宽测量值约为4 MHz，有望进一步优化至亚MHz水平。
• LiFe的晶胞尺寸小，单位体积内自旋数为YIG的两倍，从而提升耦合效率。
• 低直流磁场下的自旋波模式软化与塞曼效应共同作用，形成自旋波钟形跃迁。
• 这些钟形跃迁对一阶磁场波动不敏感，为鲁棒的量子信息处理提供了潜力。
• 系统展现出优于YIG的耦合性能，表明LiFe是未来混合量子自旋子系统中极具前景的候选材料。