近些年，基于磁振子的混合量子系统引起了学界的广泛关注并取得了显著的发展。磁振子（Magnon）是磁性材料（如钇铁石榴石YIG）中大量自旋的集体激发。磁振子系统的一个突出优势在于它可以与众多不同的量子系统实现相干耦合，比如微波光子、光波光子、声子、超导量子比特等。其中，磁振子与微波腔光子、磁致伸缩引起的YIG小球形变振动声子的耦合构成了腔磁力系统（Cavity magnomechanics）。腔磁力系统自2016年首次实验观测磁力感应透明（Sci. Adv. 2, e1501286 (2016)）并于2018年开始量子效应的理论研究（Phys. Rev. Lett. 121, 203601 (2018)）以来，在理论和实验研究方面均取得了快速的发展。
近期物理学院李杰课题组在腔磁力学理论研究方面取得了系列研究成果。其中，基于腔磁力系统制备微波场压缩态的理论方案，发表在《国家科学评论》，Natl. Sci. Rev. 10, nwac247 (2023)。如上所述，磁致伸缩效应引起了YIG小球的几何形变，形变位移的大小与YIG晶体内磁振子的激发数成正比，该形变位移反过来又会引起磁振子模式相位的改变。因此，形变位移作为中介，将磁振子模式的振幅和相位建立起了一种独特的关联。工作表明，该独特的"振幅-相位"关联可诱导磁振子模式正交分量的压缩，即在特定相位下磁振子的量子涨落低于真空涨落。由于磁振子与微波腔的线性耦合，磁振子的压缩便转移给微波腔场，进而导致微波腔输出场的压缩，原理示意图见图1(a)。微波输出场的噪声谱如图1(b)所示，其中水平线代表真空噪声。上述基于磁致伸缩非线性获得的磁振子和微波场的压缩，代表了一种新的压缩机制。微波场的压缩态，在微波段量子信息处理、量子计量等方面有着诸多重要的应用；而磁振子的压缩可用于提高基于腔磁振子系统的暗物质探测的灵敏度。李杰研究员为该工作的第一兼通讯作者，合作者有浙江大学物理学院的王逸璞研究员、游建强教授和朱诗尧院士。
此外，课题组还对腔磁力系统的其它一些量子及非线性效应进行了研究，包括机械振动模式的纠缠态制备【Quantum Sci. Technol. 8, 015022 (2023)】、量子基态冷却【Fundamental Research 3, 3 (2023)】，及非线性自维持动力学【Phys. Rev. A 108, 033518 (2023)】等。
图1.(a)基于腔磁力系统的微波压缩态制备原理；(b)微波腔输出场的噪声谱。
磁力系统中磁致伸缩引起的形变位移可以通过辐射压力作用建立起与光学腔的耦合，从而构建了三体的光磁力系统（Optomagnomechanics），如图2(a)-(b)所示，分别采用了YIG小球和微桥的结构。光磁力系统结合了磁力和光力两者的非线性作用，展示出作为一种新型量子器件及构建多种混合量子系统的巨大潜力，比如磁振子可以通过磁偶极相互作用建立与微波腔的耦合（图2(c)）；光学腔还可以与原子系综实现相干耦合（图2(d)）。基于微波腔-光磁力系统，课题组提出了一个制备微波-光纠缠态的理论方案，近日发表在Laser & Photonics Reviews杂志，Laser & Photonics Rev. 2200866 (2023)。微波-光的纠缠机制如下：同时分别对磁振子和光学腔进行泵浦，实现磁力的参量下转换和光力的态交换相互作用。在参量下转换过程中产生的磁振子-声子纠缠，通过磁振子-微波和光力的态交换相互作用，便转移分配到微波腔和光学腔两个子系统，从而制备了微波-光的纠缠态。微波-光纠缠态在构建混合量子网络方面有着独特的应用场景，可以将量子网络中分别工作在微波和光波频段的两个节点纠缠起来。浙江大学物理学院博士研究生范智渊为第一作者，李杰研究员为通讯作者，合作者有荷兰代尔夫特理工大学的Simon Gröblacher教授及奥地利科学技术研究所的邱柳博士。
此外，基于光磁力系统，课题组还提出了其它一些量子方案，包括磁振子激发数的光读取【Phys. Rev. A 105, 033507 (2022)】，磁振子任意量子态的光读取和光-磁振子的纠缠态制备【Quantum Sci. Technol. 8, 015014 (2023)】，及磁振子-原子系综的宏观纠缠态制备【Phys. Rev. A 108, 023501 (2023)】等。
图2.(a)-(d)基于光磁力构建的多种混合量子系统。
上述研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接:
J. Li, Y.-P. Wang, J. Q. You, S.-Y. Zhu, Squeezing Microwaves by Magnetostriction. Natl. Sci. Rev. 10, nwac247 (2023)
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac247
Z.-Y. Fan, L. Qiu, S. Gröblacher, J. Li, Microwave-optics Entanglement via Cavity Optomagnomechanics. Laser & Photonics Rev. 2200866 (2023)
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200866
