上海技物所首次实现了反馈微波光子数对腔-磁子极化激元耦合强度的调节

中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室陆卫与陈效双研究员课题组通过与加拿大曼尼托巴大学胡灿明教授课题组合作，在腔-磁子极化激元动力学研究中，首次实现了反馈微波光子数对腔-磁子极化激元耦合强度的调节，研究结果有望成为量子信息操控领域中光子-自旋相干调控的新途径。

研究成果以”Cooperative polariton dynamics in feedback-coupled cavities” 为题，在线发表在《自然通讯》上。中国科学院上海技术物理研究所陆卫研究员和加拿大曼尼托巴大学胡灿明教授为通讯作者，姚碧霂博士为论文第一作者。本项目得到了国家自然科学基金委--海外及港澳学者合作研究基金的资助。

1925年乌伦贝克和古兹密特发现了电子自旋，然而电子的自旋特性一直是人们希望像电子电荷特性那样在信息技术中发挥巨大的作用。 所以对于电子自旋的调控已经成为当前量子调控领域重要方向，尤其是实现光与自旋集体激发模式的强耦合相互作用是量子调控领域的重要目标之一。集体自旋的激发可形成磁子，并且可避免传输中的欧姆损失，提高信息传送效率。光子-磁子的强耦合体系会产生独特的准粒子“腔-磁子极化激元”，可理解为实现了50%的光子态和50%的自旋态的混合叠加；这种准粒子“腔-磁子极化激元”因为能够在分立体系中有效地传递相干信息，被认为是未来量子领域发展中有潜力的方向。使得在常规材料中难以观测到的量子叠加态，现如今有期望可以通过光子-磁子的强耦合体系得以很好地实现，并有希望在室温下的毫米尺寸的器件上得到突破，实现量子信息的传递。

耦合强度决定了光子-自旋两个分立体系之间的信息传递效率。对耦合强度的调控，是光子-自旋相互作用走向强耦合腔-磁子极化激元应用的关键学术点。领域内存在的难点是：和单自旋激发的体系不同，少光子条件下腔-磁子极化激元动力学过程受到经典电磁谐振规律的限制，即存在耦合强度无法通过光子数进行调节的难题，这限制了腔-磁子极化激元的实际应用。

图 (a) 电调谐反馈增益腔模中的“腔-磁子极化激元”体系示意图；(b) 基于电调谐方法，实现了反馈光子数对耦合强度的连续调控，以此突破了腔-磁子极化激元体系的经典电磁谐振限制

课题组创新性地利用电调谐反馈型谐振结构来耦合磁子模式，构筑了高协同率的光子-磁子强耦合单元，打破了上述经典电磁谐振规律的限制。进一步基于直流电调谐的方法，首次在少光子-自旋集体激发的耦合体系中实现了利用反馈光子数目对耦合强度的连续调控，并同时观察到了不同于常规双耦合态谱线的多耦合态特征谱线(cavity magnon triplet和cavity magnon quintuplet)。该工作揭示了光子-自旋强耦合相互作用单元的构筑新机理，预期将给光子-自旋相干调控、自旋流操控和量子信息处理技术的应用带来革新性的调控方法。