研究背景

        光与物质相互作用的研究对科学与技术的发展至关重要，尤其是在激光、传感器、存储器和量子信息等高精尖技术领域。在大多数情况下，光的波长通常比原子的尺寸大得多（例如百纳米波长的光和埃级大小的原子，厘米波长的微波和毫米大小的自旋系综），所以原子往往合理地被当成一个点来处理，这种近似方法称作偶极近似。然而随着超导电路的发展，“人工原子”的尺寸可以变得与其相互作用的微波波长相比拟甚至更大，这一打破偶极近似的相互作用系统被形象地称作“巨原子”体系（如图1所示）。许多奇特的现象出现在巨原子系统中，其中最具代表性的是由频率调控的巨原子弛豫速率和巨原子之间的无退相干相互作用。这类新的相互作用体系吸引了大量理论物理学家去探索一系列由“巨原子”中独特的干涉效应所诱发的奇异现象，并挖掘基于“巨原子”构建量子信息网络和设计微波器件的巨大潜能。截止到下面要介绍的研究进展工作之前，由于自然条件限制和技术瓶颈，“巨原子“的物理行为只在低温下的超导量子比特平台中被观测到。为了更全面的观测、研究和利用”巨原子“物理，一个灵活、易于调控的实验系统是迫切需要的。

图1. 光和物质相互作用模型：小原子（左侧）和巨原子（右侧）

成果简介

近日皇冠手机登录地址hg混合量子系统研究团队将钇铁石榴石（YIG）小球和弯曲波导在两个分离的位点耦合，首次利用波导磁振子系统提出并实现了“巨自旋系综”。并基于此平台首次将两个“巨自旋系综”以嵌套式的构型耦合起来，通过调节外加偏置场来改变两个小球的共振频率，进而观察两个“巨自旋系综”在不同频率下的协同行为。

如图2b所示，当微波沿着弯曲波导传输时，YIG小球的尺寸被等效地增大至与其共振的微波波长相比拟。此时小球不能再被当作一个点来处理，两个耦合位点间将发生干涉效应（图2a）。当调节外加偏置磁场时，饱和磁化的YIG小球中的磁振子模式的本征频率随偏置磁场线性变化（图2d），在该共振频率下，两个耦合位点间累积的传输相位也相应发生变化。当两个耦合点之间相长干涉时（图3c），巨自旋系综和波导的等效耦合强度变强，表现为谱线展宽达到最大；当两个耦合位点之间相消干涉时（图3e），巨自旋系综和波导脱耦，在谱学测量中无法再观察到铁磁共振信号。不同于常规的耦合范式中线宽几乎不变的结果（图2e），这种由频率决定弛豫速率的现象也证实了巨自旋系综的实现。

        为了研究两个巨自旋系综的集体行为，YIG小球的磁晶各向异性可用来单独调节外部小球的频率。通过电控旋转电机旋转YIG小球，改变其晶轴与外加磁场的夹角，磁振子模式的共振频率会发生如图2h的改变。在固定外加偏置磁场，旋转外部小球的情况下，两个巨自旋系综的集体行为可以通过传输谱线观测（图4c,g）。可以发现，通过波导媒介的两个巨自旋系综的相互作用行为也强烈依赖于共振频率。在嵌套式的构型下，外部巨自旋系综的两个耦合点可以等效为两个腔镜，如图4b,f所示。当两个巨自旋系综各自的耦合位点均处于干涉相长情形时（图4a），两个巨自旋系综协同的向波导耗散，且内部YIG小球的两个耦合位点处于外部YIG 小球形成的等效腔的波节位置（图4b），此时两个巨自旋系综发生纯耗散耦合，谱线变现为能级吸引（图4c）。当外部的巨自旋系综的两个耦合位点干涉相消时（图4e），外部的巨自旋系综与波导脱耦，由于自旋系综之间的耦合由波导媒介，此时直觉上认为两个巨自旋系综应该不存在相互作用，但内部小球的两个位点此时处于等效腔场的非波节位置（图4f），两个巨自旋系综实际上发生了相干耦合，谱线表现为能级排斥（图4g），这一反直觉的现象是在小自旋系综中无法实现的。本项研究为观测和应用“巨原子”物理提供了一个全新的实验平台，并为在波导这一开放系统中实现高相干性的信息处理、信息存储、物态调控提供了可行的方案。

图2. 巨自旋系综实验装置图

图3. 巨自旋系综中频率决定的弛豫速率

图4. 嵌套式巨自旋系综在不同共振频率下的集体行为

该论文于近期发表在杂志Nature Communications（IF=17.694）上【Z. Q. Wang, Y.-P. Wang*, J. G. Yao, R. C. Shen, W. J. Wu, J. Qian, J. Li, S. Y. Zhu, J. Q. You*, Giant spin ensembles in waveguide magnonics, Nat. Commun. 13, 7580 (2022).】。皇冠手机登录地址hg游建强教授和王逸璞研究员是本文的共同通讯作者，皇冠手机登录地址hg博士生王梓琦为论文第一作者。合作者有皇冠手机登录地址hg的朱诗尧院士和李杰研究员。该研究得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35174-9