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腔自旋波混合系统的研究进展.docx

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文档介绍:该【腔自旋波混合系统的研究进展 】是由【科技星球】上传分享,文档一共【15】页,该文档可以免费在线阅读,需要了解更多关于【腔自旋波混合系统的研究进展 】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。腔自旋波混合系统的研究进展*??沈瑞昌张国强王逸璞游建强?1)(北京计算科学研究中心,量子物理与量子信息部,北京100193)2)(浙江大学物理系,杭州310027),有望建立一个以自旋波量子为核心的、,阐明自旋波量子与微波腔光子的耦合机制;着重介绍了近期在腔自旋波混合系统中关于非线性和赝厄米性方面的研究进展,其中包括非线性效应引起的腔自旋波量子极化激元的双稳,宇称-时间(PT)对称哈密顿量的实现和PT对称自发破缺相变二阶奇点的观测,,经过科学家的共同努力,,Shor[1]提出应用于大数分解的Shor算法;1996年,Grover[2],量子计算的应用前景逐渐展现出来,,比如囚禁的离子和原子[3,4]、电子自旋和核自旋[5,6]、超导量子比特系统[7-11],其在量子计算[12-14]和量子模拟[15-17],这些系统也有各自的缺点,例如超导比特系统虽然具有很好的拓展性和操控性,但因为超导比特和环境之间存在较强的相互作用,导致其相干时间不是很长;而金刚石氮空位中心虽然拥有较长的相干时间,,科学家们开始探索将不同的物理系统结合起来的新方案[18,19],利用这些新的方案来实现一些新奇的应用,例如将电路量子电动力学和电子自旋系统结合起来以提高电子自旋的检测灵敏度[20].在自旋系综和微波腔耦合的系统中,当样品较小以至于可以近似地认为样品中每个自旋与微波腔的耦合强度都一样时,自旋系综和微波腔之间的有效耦合强度可以表示为其中g为单个自旋的耦合强度,N为样品中的自旋数[21].这里,自旋数取决于样品的体积V和自旋密度ρ,即N=,,而提升自旋数面临诸多困难,如提高金刚石中氮空位中心(即自旋),2010年,Soykal和Flatte[22,23]从理论上提出了腔自旋波混合系统的概念,他们建议利用铁磁材料(例如钇铁石榴石晶体(YIG)),YIG不仅天然具有较高的自旋密度(~×1022cm3),而且自旋之间存在较强的交换作用使得自旋系综集体激发的自旋波量子具有较低的耗散率(~1MHz),,Huebl等[24]首次在实验上观察到了自旋波量子和一维超导微波腔的强耦合,其良好的耦合特性展现了自旋波量子广阔的应用前景,但是在超导微波腔和铁磁系综的耦合中存在一个明显的缺点,即受外加偏置磁场影响,,Zhang等[25]和Tabuchi等[26]在实验上利用三维铜腔克服了这一困难,他们分别在室温和低温下实现了自旋波量子和三维铜腔中微波光子的强耦合;Zhang等[27],Bai等[28]从Landau-Lifshitz-Gilbert方程出发建立模型,实验上证明了自旋抽运可以对自旋波量子-[29],Tabuchi等[30]以腔模为中介实现了自旋波量子和三维Transmon超导量子比特的耦合,首次观察到了自旋波量子的数态[31].2016年,Zhang等[32]又实现了YIG小球中的自旋波量子和声子的耦合,,自旋波量子与微波光子之间耗散耦合导致的能级吸引被观察到,实现了对自旋波量子和微波光子之间相干耦合和耗散耦合的控制[33-35].Xiao等[36]对能级吸引也给出了理论解释,而Yuan等[37],Wang等[38],基于自旋波量子与其他量子系统良好的耦合特性,有望以自旋波量子为核心建立不同系统之间信息传递的平台[39].,介绍自旋波量子非线性效应(即克尔效应)的产生机制[40],以及一定条件下克尔非线性效应引起的腔自旋波混合系统中腔自旋波量子的双穏现象[41].在赝厄米性方面,介绍腔自旋波混合系统中利用相干完美吸收构造宇称-时间(PT)对称的哈密顿量以及在此系统中所实现的二阶奇点[42],最后,介绍如何构造非PT对称的赝厄米哈密顿量,并在系统中实现高阶奇点[43].2腔自旋波混合系统通常,腔自旋波混合系统是将一个铁磁材料的样品(比如YIG)置于一个三维微波腔中组成,,为了获得较高的Q因子,,,一般只关注微波腔的某一特定模式(比如基模),其对应的哈密顿量可以表示成Hc=ωca?a,其中ωc为腔模的频率,a??=,,根据波矢将自旋波模分为两类:波矢为零的自旋波模(即Kittel模),,YIG小球中的自旋系综可以视为一个宏观自旋S≡(Sx,Sy,Sz),其中自旋量子数为S=Ns,s为单个自旋的自旋量子数,、各向异性能、退磁场能和海森伯交换相互作用能四部分,但对于Kittle模而言,相应的退磁场能和海森伯交换相互作用能是常量[41].在线性区域,各向异性能也是常量,但在非线性区域,,-Primakoff变换[44]和可以将宏观自旋算符S和自旋波Kittle模的产生和湮灭算符b?和b联系起来,从而得到Kittel模的哈密顿量Hm=ωmb?b,其中ωm=γB0为自旋波量子的角频率,γ=geμB/?为旋磁比,ge为朗德g因子,,,实验上需要将YIG小球样品放置于腔内合适的位置,,自旋波量子与腔模相互作用的哈密顿量可以写为HI=gm(a?b+ab?),其中为Kittel模和腔模的耦合强度,gs为单个自旋和腔场之间的耦合强度,,,由于YIG材料天然具有很高的自旋密度,这使得自旋波量子与微波腔光子之间易于实现强耦合,甚至可以达到超强耦合[45].至此,可以写出腔自旋波混合系统的总哈密顿量3腔自旋波混合系统中的双稳现象在腔自旋波混合系统中,由于YIG小球中存在的各向异性场,哈密顿量中存在非线性项,,,这样的非线性效应无法忽略,其可在系统中产生双穏现象[41],甚至可能出现混沌现象[46].,当YIG小球的自旋系综的激发数较多时,,对不包含宏观自旋非线性项的系统哈密顿量做Holstein-Primakoff变换时仍旧只保留到一阶项,则得到包含宏观自旋非线性项的系统总哈密顿量为[40],外加偏置磁场沿着不同的晶轴,各向异性能也不同,[110]晶轴沿着外加偏置磁场的情况,K=-13u0Kanγ2/(16M2Vm),其小于0;对[100]晶轴沿着外加偏置磁场的情况,K=u0Kanγ2/(M2Vm),,Vm为YIG小球的体积,Kan为一阶各向异性系数,,,克尔系数的绝对值与YIG小球的体积成反比,即体积越小,非线性系数K越大,,,为了兼顾耦合强度和非线性系数,[47],(即腔自旋波量子极化激元),Wang等[41](总)哈密顿量进行Bogoliubov变换[48],并定义pp?和q(q?)分别是下支和上支极化激元[49]的湮灭(产生)算符,其中而Δ=ωc-ωm为腔模与自旋波模之间的频率失谐,可得到对角化后的系统总哈密顿量为:其中H0为变化后的线性哈密顿量,HK为变换后的克尔项,Hd为变换后的驱动项,ωUP和ωLP为上支和下支极化激元的频率,ΔUP和ΔLP为上支和下支极化激元的频率移动,ωd为驱动微波频率,,上下两支极化激元的频率移动之间满足关系式ΔUP=ξΔLP,其中ξ=v2/(即Δ=0),ξ=1,|ωLP-ωd|?|ωUP-ωd|时,,通过量子郎之万方程,得到下支极化激元的频率移动ΔLP和驱动功率Pd之间的关系式为其中δLP=ωLP-ωd为下支极化激元和驱动场之间频率失谐,γLP=u2γm+v2κc为下支极化激元的衰减率,,在一定参数条件下,,方程的最大和最小两个根对应的是稳定的物理状态,而中间的一个代表的是不稳定状态,,YIG小球放置在一个三维微波腔中,(VNA)相连,用于探测微波腔的传输谱,端口3与微波源(MW)相连,,TE102模式的磁场分布如图1所示,[41]-icfielddistributionincavity[41].图2自旋波模和腔模共振时下支极化激元的频率移动随驱动功率变化情况(a)偏置磁场沿晶轴[100]的情况;(b)偏置磁场沿晶轴[110]的情况[41],thecurvesofthefrequencyshiftofthelower-branchcavitymagnonpolaritonsΔLPversusthedrivingpowerPd:(a)icfieldisalongthecrystalaxis[100];(b)icfieldisalongthecrystalaxis[110][41].当自旋波模和腔模共振时,两支极化激元中腔模和自旋波模的成分各占一半,[100](即克尔系数K>0)和沿晶轴[110](即克尔系数K<0)两种情况,[100]时,,腔自旋波量子极化激元的频率移动ΔLP随驱动功率Pd变化,并在临界点发生跳变,,腔自旋波量子极化激元的频率移动ΔLP变化曲线形成一个逆时针的迟滞回线,,[110]时,随着驱动功率增加,下支极化激元的频率移动ΔLP为负,迟滞回线为逆时针,其他性质与偏置磁场B0沿晶轴[100],三角形代表功率逐渐减小时实验测量数据,,,对于一个封闭的物理系统,,,Bender和Boettcher[50]发现对于满足PT对称性的哈密顿量,,通过在临界点附近改变哈密顿量中某一参数,系统可以在参数空间中实现从PT对称相到PT对称破缺相的相变[51],,,,Mostafazadeh[52,53]将PT对称理论拓展为:对于任意一个哈密顿量H,如果能够找到一个线性的厄米算符U使得哈密顿量满足H?=UHU-1,则这个哈密顿量就是赝厄米的,,,赝厄米哈密顿量、、-Hermitian,thePT-,将一个粘在细棍一端的YIG小球通过三维微波腔侧面的小孔置于腔内,该混合系统的哈密顿量如(1)式所示,其中腔模和Kittel模之间的耦合强度可以通过移动细棍来调节[42].此外,(i=1,2),输入场输出场和腔场a之间满足其中由端口i诱导的衰减κ可以通过改变

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