中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國家重點實驗室陸衛(wèi)與陳效雙研究員課題組通過與加拿大曼尼托巴大學(xué)胡燦明教授課題組合作，在腔-磁子極化激元動力學(xué)研究中，首次實現(xiàn)了反饋微波光子數(shù)對腔-磁子極化激元耦合強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，研究結(jié)果有望成為量子信息操控領(lǐng)域中光子-自旋相干調(diào)控的新途徑。

研究成果以”Cooperative polariton dynamics in feedback-coupled cavities” 為題，在線發(fā)表在《自然通訊》上。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)研究員和加拿大曼尼托巴大學(xué)胡燦明教授為通訊作者，姚碧霂博士為論文第一作者。本項目得到了國家自然科學(xué)基金委--海外及港澳學(xué)者合作研究基金的資助。

1925年烏倫貝克和古茲密特發(fā)現(xiàn)了電子自旋，然而電子的自旋特性一直是人們希望像電子電荷特性那樣在信息技術(shù)中發(fā)揮巨大的作用。 所以對于電子自旋的調(diào)控已經(jīng)成為當(dāng)前量子調(diào)控領(lǐng)域重要方向，尤其是實現(xiàn)光與自旋集體激發(fā)模式的強(qiáng)耦合相互作用是量子調(diào)控領(lǐng)域的重要目標(biāo)之一。集體自旋的激發(fā)可形成磁子，并且可避免傳輸中的歐姆損失，提高信息傳送效率。光子-磁子的強(qiáng)耦合體系會產(chǎn)生獨特的準(zhǔn)粒子“腔-磁子極化激元”，可理解為實現(xiàn)了50%的光子態(tài)和50%的自旋態(tài)的混合疊加；這種準(zhǔn)粒子“腔-磁子極化激元”因為能夠在分立體系中有效地傳遞相干信息，被認(rèn)為是未來量子領(lǐng)域發(fā)展中有潛力的方向。使得在常規(guī)材料中難以觀測到的量子疊加態(tài)，現(xiàn)如今有期望可以通過光子-磁子的強(qiáng)耦合體系得以很好地實現(xiàn)，并有希望在室溫下的毫米尺寸的器件上得到突破，實現(xiàn)量子信息的傳遞。

耦合強(qiáng)度決定了光子-自旋兩個分立體系之間的信息傳遞效率。對耦合強(qiáng)度的調(diào)控，是光子-自旋相互作用走向強(qiáng)耦合腔-磁子極化激元應(yīng)用的關(guān)鍵學(xué)術(shù)點。領(lǐng)域內(nèi)存在的難點是：和單自旋激發(fā)的體系不同，少光子條件下腔-磁子極化激元動力學(xué)過程受到經(jīng)典電磁諧振規(guī)律的限制，即存在耦合強(qiáng)度無法通過光子數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的難題，這限制了腔-磁子極化激元的實際應(yīng)用。

圖 (a) 電調(diào)諧反饋增益腔模中的“腔-磁子極化激元”體系示意圖；(b) 基于電調(diào)諧方法，實現(xiàn)了反饋光子數(shù)對耦合強(qiáng)度的連續(xù)調(diào)控，以此突破了腔-磁子極化激元體系的經(jīng)典電磁諧振限制

課題組創(chuàng)新性地利用電調(diào)諧反饋型諧振結(jié)構(gòu)來耦合磁子模式，構(gòu)筑了高協(xié)同率的光子-磁子強(qiáng)耦合單元，打破了上述經(jīng)典電磁諧振規(guī)律的限制。進(jìn)一步基于直流電調(diào)諧的方法，首次在少光子-自旋集體激發(fā)的耦合體系中實現(xiàn)了利用反饋光子數(shù)目對耦合強(qiáng)度的連續(xù)調(diào)控，并同時觀察到了不同于常規(guī)雙耦合態(tài)譜線的多耦合態(tài)特征譜線(cavity magnon triplet和cavity magnon quintuplet)。該工作揭示了光子-自旋強(qiáng)耦合相互作用單元的構(gòu)筑新機(jī)理，預(yù)期將給光子-自旋相干調(diào)控、自旋流操控和量子信息處理技術(shù)的應(yīng)用帶來革新性的調(diào)控方法。