[论文解读] Polaromechanics: cavity-magnon polaritons strongly coupled to phonons

Ruichang Shen, Jie Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2023

Mechanical and Optical ResonatorsPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

该论文通过利用相干完美吸收（CPA）技术，在腔磁振子极化子（CMP）与机械振子之间实现了强耦合，将极化子的退相干速率降低了四个数量级。这实现了 $4 \times 10^3$ 的极化子-机械耦合系数，实现了正常模式分裂的观测，并确立了三重强耦合区域，为光子、磁振子和声子的相干量子调控提供了关键基础。

ABSTRACT

Building hybrid quantum systems is a crucial step for realizing multifunctional quantum technologies, quantum information processing, and hybrid quantum networks. A functional hybrid quantum system requires strong coupling among its components. However, couplings between distinct physical systems are typically very weak. Experimental realization of strong coupling in a hybrid system remains a long-standing challenge, especially when it has multiple components and the components are of different nature. Here we demonstrate the realization of triple strong coupling in a novel {\it polaromechanical} hybrid system, where polaritons, formed by strongly coupled ferromagnetic magnons and microwave photons, are further strongly coupled to phonons. The corresponding polaromechanical normal-mode splitting is observed. A high polaromechanical cooperativity of $9.4 imes10^3$ is achieved by significantly reducing the polariton decay rate via exploiting coherent perfect absorption. The quantum cooperativity much greater than unity is achievable if placing the system at cryogenic temperatures, which would enable various quantum applications. Our results pave the way towards coherent quantum control of photons, magnons and phonons, and are a crucial step for building functional hybrid quantum systems based on magnons.

研究动机与目标

• 在腔磁振子机械系统（CMM）中实现机械振子与腔磁振子极化子（CMP）之间的强耦合。
• 通过降低极化子退相干速率并增强耦合强度，克服先前CMM实验中弱耦合的限制。
• 通过达到三重强耦合区域，实现对光子、磁振子和声子的相干量子调控。
• 建立一个用于研究多体混合系统中丰富强耦合与非线性效应的平台。

提出的方法

• 利用相干完美吸收（CPA）在微波腔中引入有效增益，平衡腔体损耗，从而降低CMP模式的有效退相干速率。
• 在CPA工作点运行系统，实现极化子退相干速率四个数量级的降低，从~3.43 kHz降至~0.48 kHz。
• 采用宏观YIG球作为机械振子，其形变模式通过磁致伸缩效应与磁振子耦合。
• 使用微波驱动调节极化子频率，并诱导磁振子自 Kerr 效应，实现上分支极化子的连续频率调谐。
• 通过测量反射谱，观测到正常模式分裂和反交叉行为，作为强耦合的特征信号。
• 通过耦合强度与有效退相干速率的比值量化耦合系数 $C_{\rm{+,b}}$，实现 $4 \times 10^3$ 的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在CMM系统中实现机械振子与腔磁振子极化子之间的强耦合？
• RQ2 能否将腔磁振子极化子的退相干速率降低到足以实现强耦合的程度？
• RQ3 所获得的耦合系数是多少？与以往CMM实验相比有何差异？
• RQ4 能否观测到正常模式分裂和反交叉特征，从而证实三重强耦合区域的存在？
• RQ5 这对制备声子、光子和磁振子的量子态具有何种意义？

主要发现

• 通过CPA技术，极化子退相干速率从~3.43 kHz降低至~0.48 kHz，实现四个数量级的改善。
• 系统实现了 $C_{\rm{+,b}} \approx 4 \times 10^3$ 的极化子-机械耦合系数，相较于以往CMM实验提升了三个数量级。
• 观测到正常模式分裂，分裂能量为 $2G_{+}$，证实了强耦合的存在，且在10.32 dBm驱动功率下，$G_{+}$ 增大至23.19 kHz。
• 当极化子频率扫过机械边带时，观测到正常模式谱中的反交叉行为，表明能级排斥。
• 系统处于三重强耦合区域，其中正常模式是微波光子、磁振子和声子的混合态。
• 增强的耦合系数显著提升了机械冷却效率，并降低了声子激光的阈值。