鐵磁材料微腔中光磁相互作用的研究
發(fā)布時(shí)間：2020-12-30 14:08
過去幾十年,基于量子物理的量子技術(shù)取得了巨大的進(jìn)展,包括量子計(jì)算,量子模擬,量子通訊,量子傳感等。特別的,將不同的物理體系結(jié)合起來,希望得到比單一物理體系更優(yōu)性能的混合量子系統(tǒng),引起了極大的興趣。其中基于鐵磁材料中的自旋波來研究混合量子系統(tǒng)受到了廣泛的關(guān)注。自旋波（spin wave）是磁矩有序材料中磁化的集體激勵(lì),它的量子化稱為磁子,可以與微波光子、光學(xué)光子、機(jī)械聲子、甚至超導(dǎo)量子比特相互作用,從而形成新的研究領(lǐng)域,分別為在基于磁光效應(yīng)的腔光磁體系、基于磁致伸縮效應(yīng)腔磁機(jī)械體系、以及基于磁偶極子相互作用的量子磁振子體系中得到廣泛的研究,實(shí)現(xiàn)了包括微波到光波的頻率轉(zhuǎn)換,單個(gè)磁振子的測(cè)量,聲子與磁振子的轉(zhuǎn)換等,突顯了很好的應(yīng)用前景。目前,基于固態(tài)量子比特的量子信息技術(shù)大多都受到低溫以及微波光子的局限,不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的量子比特之間的通訊,因此將量子態(tài)從微波轉(zhuǎn)換到光學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的興趣,與微波光子不同,光學(xué)光子可以通過低損耗的光纖傳輸,這使得它們適合長(zhǎng)距離的通信,而且光學(xué)領(lǐng)域還提供了大量開發(fā)良好的量子光學(xué)工具,如高效的單光子探測(cè)器和長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)器等,因此通過微波光子到光波光子的相互轉(zhuǎn)換能...
【文章來源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：107 頁
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
圖１．２微波光子與磁振子間的強(qiáng)耦合
Ｋｆｌ＾＾Ｈ?｜?０．１??Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ?ｃａｖｉｔｙ?■?卩??７．９７ＩＢＷ＿。－??５．４５?４．８５?４．２５?－３．６５?－３．０５??ＢＢＨＢＢｍｉ?ｍＢｍ?Ｃｏｉｌ?ｃｕｒｒｅｎｔ?／?（ｍＡ）??〇?ａｉ??？?￡＊?？?Ｄａｔａ??Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ?Ｑｕｂｉｔ?勺?０?０５?ｆｔ?－ｆ／ｎ－ｍ／２ｎ?？?＿ｐｉｔ??ｆ?Ｋｉｔｔｅｌ?ｍｏｄｅ?＾?０??■?７．９７?７．９８?７．９９?８?８．０１??Ｂ？?ｗｓ／２ｎ?（ＧＨｚ）??圖１．３超導(dǎo)量子比特與磁振子間的強(qiáng)耦合。將ＹＩＧ球放置于微波腔的磁場(chǎng)節(jié)點(diǎn)，將超導(dǎo)量??子比特置于電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)，則磁振子可以通過微波與超導(dǎo)量子比特間接耦合。??與量子比特的耦合項(xiàng)可以表示為：??Ｓｇ－ｍ?｛ｇ＇ｍ?＋?ｑｍｆ）?（１．２）??其中（ｍ’）和ｇ?（ｍ）分別表不量子比特（磁振子）的產(chǎn)生和淫滅算符，上述稱合??項(xiàng)是在磁振子頻率與量子比特頻率近共振且遠(yuǎn)失諧于微波共振頻率下近似得到??的。耦合強(qiáng)度％近似由微波與磁振子的耦合強(qiáng)度以及微波與量子比特耦合強(qiáng)??度決定。Ｄ．?Ｌａｃｈａｎｃｅ－Ｑｕｉｒｉｏｎ等人已經(jīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了磁振子與超導(dǎo)量子比特間的??耦合（圖１Ｊ所示），通過將Ｙ１Ｇ放置在微波腔內(nèi)的磁場(chǎng)節(jié)點(diǎn)，將量子比特放置在??微波腔中的電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)磁振子與量子比特間的強(qiáng)耦合。實(shí)驗(yàn)中利用磁??振子的可調(diào)性使得系統(tǒng)進(jìn)入強(qiáng)色散區(qū)域（ｓｔｒｏｎｇ?ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ?ｒｅｇｉｍｅ），使得產(chǎn)生的??磁振子會(huì)使量子比特發(fā)生頻移，通過測(cè)量譜線頻移量從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)磁振子的測(cè)??量［７２，９８１。該方法也在腔量子電動(dòng)力學(xué)中分辨微波模式中的單個(gè)微波光子Ｐ９＿ｉ
使得??磁性材料中的變形模式作為機(jī)械振動(dòng)模式與磁振子發(fā)生耦合，稱上述體系為腔??磁機(jī)械體系（ｃａｖｉｔｙ?ｍａｇｎｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ）。在該體系中磁振子與聲子的賴合項(xiàng)可以寫??為：??ｇｂ－ｍｍ＇ｍ?（ｂ?＋?ｂ＇）?（�。常�??其中Ｍ?和６?（ｍ）分別表示聲子（磁振子）的產(chǎn)生和湮滅算符。該耦合項(xiàng)與光機(jī)??械系統(tǒng)中的耦合項(xiàng)類似，因此也可以在腔磁機(jī)械體系中實(shí)現(xiàn)光機(jī)械系統(tǒng)中如邊帶??冷卻和參量放大。磁振子與聲子間的耦合己經(jīng)由Ｘｕｆｅｎｇ?Ｚｈａｎｇ等人在ＹＩＧ球中??實(shí)現(xiàn)如圖１．４所示。實(shí)驗(yàn)中得到的耦合強(qiáng)度相比于之前介紹的兩種耦合體系??低，由于該體系與光機(jī)械類似，耦合強(qiáng)度可以通過增強(qiáng)微波泵浦來増強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)中在??ＯｄＢｍ的外界驅(qū)動(dòng)下，得到的耦合強(qiáng)度接近３０ｋＨｚ，比聲子線寬大了?２個(gè)量級(jí)但還??是小于磁振子的線寬。同時(shí)上述實(shí)驗(yàn)還演示了磁聲誘導(dǎo)透明（ｍａｇｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ??ｉｎｄｕｃｅｄ?ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）以及磁聲誘導(dǎo)吸收（ｍａｇｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ?ｉｎｄｕｃｅｄ?ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）。??由于磁振子和微波光子模式的強(qiáng)雜化以及它們的高可調(diào)性，該實(shí)驗(yàn)也實(shí)現(xiàn)了包??括磁振子和聲子的參量放大，三模共振即光子－磁振子－聲子的耦合，以及聲子激??光。上述結(jié)果可以作為一種新的基于光子、聲子和磁振子之間的相干耦合的信息??傳遞平臺(tái)。??另外也有人理論提出在磁振子聲子耦合體系中實(shí)現(xiàn)磁模、微波模式以及機(jī)??械模式的糾纏來研究宏觀量子效應(yīng)［７１，１｛）５＿１Ｑ６１。上述方案需要滿足低溫環(huán)境，同時(shí)??也需要強(qiáng)泵浦保證耦合強(qiáng)度，因此在實(shí)驗(yàn)上還存在巨大挑戰(zhàn)，但是也表明了磁振??子聲子耦合體系在研宄量子現(xiàn)象
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Ringing phenomenon in silica microspheres[J]. 董春華,鄒長(zhǎng)鈴,崔金明,楊勇,韓正甫,郭光燦. Chinese Optics Letters. 2009(04)
本文編號(hào)：2947774
【文章來源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：107 頁
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
圖１．２微波光子與磁振子間的強(qiáng)耦合
Ｋｆｌ＾＾Ｈ?｜?０．１??Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ?ｃａｖｉｔｙ?■?卩??７．９７ＩＢＷ＿。－??５．４５?４．８５?４．２５?－３．６５?－３．０５??ＢＢＨＢＢｍｉ?ｍＢｍ?Ｃｏｉｌ?ｃｕｒｒｅｎｔ?／?（ｍＡ）??〇?ａｉ??？?￡＊?？?Ｄａｔａ??Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ?Ｑｕｂｉｔ?勺?０?０５?ｆｔ?－ｆ／ｎ－ｍ／２ｎ?？?＿ｐｉｔ??ｆ?Ｋｉｔｔｅｌ?ｍｏｄｅ?＾?０??■?７．９７?７．９８?７．９９?８?８．０１??Ｂ？?ｗｓ／２ｎ?（ＧＨｚ）??圖１．３超導(dǎo)量子比特與磁振子間的強(qiáng)耦合。將ＹＩＧ球放置于微波腔的磁場(chǎng)節(jié)點(diǎn)，將超導(dǎo)量??子比特置于電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)，則磁振子可以通過微波與超導(dǎo)量子比特間接耦合。??與量子比特的耦合項(xiàng)可以表示為：??Ｓｇ－ｍ?｛ｇ＇ｍ?＋?ｑｍｆ）?（１．２）??其中（ｍ’）和ｇ?（ｍ）分別表不量子比特（磁振子）的產(chǎn)生和淫滅算符，上述稱合??項(xiàng)是在磁振子頻率與量子比特頻率近共振且遠(yuǎn)失諧于微波共振頻率下近似得到??的。耦合強(qiáng)度％近似由微波與磁振子的耦合強(qiáng)度以及微波與量子比特耦合強(qiáng)??度決定。Ｄ．?Ｌａｃｈａｎｃｅ－Ｑｕｉｒｉｏｎ等人已經(jīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了磁振子與超導(dǎo)量子比特間的??耦合（圖１Ｊ所示），通過將Ｙ１Ｇ放置在微波腔內(nèi)的磁場(chǎng)節(jié)點(diǎn)，將量子比特放置在??微波腔中的電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)磁振子與量子比特間的強(qiáng)耦合。實(shí)驗(yàn)中利用磁??振子的可調(diào)性使得系統(tǒng)進(jìn)入強(qiáng)色散區(qū)域（ｓｔｒｏｎｇ?ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ?ｒｅｇｉｍｅ），使得產(chǎn)生的??磁振子會(huì)使量子比特發(fā)生頻移，通過測(cè)量譜線頻移量從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)磁振子的測(cè)??量［７２，９８１。該方法也在腔量子電動(dòng)力學(xué)中分辨微波模式中的單個(gè)微波光子Ｐ９＿ｉ
使得??磁性材料中的變形模式作為機(jī)械振動(dòng)模式與磁振子發(fā)生耦合，稱上述體系為腔??磁機(jī)械體系（ｃａｖｉｔｙ?ｍａｇｎｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ）。在該體系中磁振子與聲子的賴合項(xiàng)可以寫??為：??ｇｂ－ｍｍ＇ｍ?（ｂ?＋?ｂ＇）?（�。常�??其中Ｍ?和６?（ｍ）分別表示聲子（磁振子）的產(chǎn)生和湮滅算符。該耦合項(xiàng)與光機(jī)??械系統(tǒng)中的耦合項(xiàng)類似，因此也可以在腔磁機(jī)械體系中實(shí)現(xiàn)光機(jī)械系統(tǒng)中如邊帶??冷卻和參量放大。磁振子與聲子間的耦合己經(jīng)由Ｘｕｆｅｎｇ?Ｚｈａｎｇ等人在ＹＩＧ球中??實(shí)現(xiàn)如圖１．４所示。實(shí)驗(yàn)中得到的耦合強(qiáng)度相比于之前介紹的兩種耦合體系??低，由于該體系與光機(jī)械類似，耦合強(qiáng)度可以通過增強(qiáng)微波泵浦來増強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)中在??ＯｄＢｍ的外界驅(qū)動(dòng)下，得到的耦合強(qiáng)度接近３０ｋＨｚ，比聲子線寬大了?２個(gè)量級(jí)但還??是小于磁振子的線寬。同時(shí)上述實(shí)驗(yàn)還演示了磁聲誘導(dǎo)透明（ｍａｇｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ??ｉｎｄｕｃｅｄ?ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）以及磁聲誘導(dǎo)吸收（ｍａｇｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ?ｉｎｄｕｃｅｄ?ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）。??由于磁振子和微波光子模式的強(qiáng)雜化以及它們的高可調(diào)性，該實(shí)驗(yàn)也實(shí)現(xiàn)了包??括磁振子和聲子的參量放大，三模共振即光子－磁振子－聲子的耦合，以及聲子激??光。上述結(jié)果可以作為一種新的基于光子、聲子和磁振子之間的相干耦合的信息??傳遞平臺(tái)。??另外也有人理論提出在磁振子聲子耦合體系中實(shí)現(xiàn)磁模、微波模式以及機(jī)??械模式的糾纏來研究宏觀量子效應(yīng)［７１，１｛）５＿１Ｑ６１。上述方案需要滿足低溫環(huán)境，同時(shí)??也需要強(qiáng)泵浦保證耦合強(qiáng)度，因此在實(shí)驗(yàn)上還存在巨大挑戰(zhàn)，但是也表明了磁振??子聲子耦合體系在研宄量子現(xiàn)象
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Ringing phenomenon in silica microspheres[J]. 董春華,鄒長(zhǎng)鈴,崔金明,楊勇,韓正甫,郭光燦. Chinese Optics Letters. 2009(04)
本文編號(hào)：2947774
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