[论文解读] 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 13

一句话总结

本文提出了一种基于钇铁石榴石（YIG）球体中手性微波腔模与自旋波（magnons）强耦合的宽带非互易微波器件。通过利用手性选择规则，该系统实现了0.5 GHz带宽的非互易性——比以往方法宽两个数量级，从而在经典与量子系统中实现了鲁棒、可调谐且相干的信息处理。

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.

研究动机与目标

• 解决现有微波系统中非互易器件带宽受限的问题。
• 在不牺牲可调谐性或相干性的情况下实现超宽带非互易性。
• 利用自旋波与圆极化光子之间的手性相互作用，有效打破时间反演对称性。
• 展示一个可扩展的平台，用于经典与量子领域中鲁棒的相干信息处理。

提出的方法

• 设计了一种集成在基板上的波导（SIW）微波腔，支持两种正交、简并的手性模（顺时针与逆时针圆极化）。
• 集成一个单个YIG球体，用于承载集体自旋激发（magnon），该自旋波仅与同手性的微波光子发生强耦合。
• 利用手性选择规则：仅相同手性的自旋波-光子对发生相互作用，而相反手性的对则保持解耦。
• 采用简并腔模结构（方形腔体，Nx=Ny=9），在从不同端口激励时可实现微波场的圆极化。
• 使用包含强耦合的自旋-玻色哈密顿量对系统进行建模，推导出线性与圆极化基下的透射矩阵。
• 利用耦模理论计算透射系数（S12与S21），表明当输入端口切换时，由于手性反转，非互易性得以显现。

实验结果

研究问题

• RQ1 强耦合的手性微波模与自旋波是否能够实现超宽带非互易性？
• RQ2 通过圆极化实现的手性选择规则如何增强非互易透射性能？
• RQ3 在具有工程化手性模的自旋波-光子混合系统中，非互易性的可实现带宽是多少？
• RQ4 非互易性是否可在宽频率范围内保持，同时维持高相干性？

主要发现

• 实验观测到近0.5 GHz带宽的非互易性，相比以往宽带非互易系统提升两个数量级。
• 当自旋波模与腔中心形成的圆极化微波模共振时，系统表现出强烈的非互易性。
• 透射不对称性（S12 ≠ S21）在带宽中心可达15 dB，证实了强非互易行为。
• 在圆模基下进行的理论建模表明，仅一个圆模与自旋波发生耦合，验证了手性选择规则。
• 由于强耦合（g ≈ 100 MHz）与低耗散，系统保持了高相干性，使其在量子信息系统中具有潜在应用价值。
• 观测到的非互易性具有鲁棒性与可调谐性，其行为取决于输入信号与腔模之间的相对手性。