网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

《PRL》重磅:首次在实验上实现传播自旋波与微波光子相干强耦合

0
分享至

在量子信息科学与凝聚态物理的交叉领域中,如何实现不同物理系统之间的相干信息传递与高效耦合,一直是核心的研究课题。近期发表在物理学顶尖期刊《Physical Review Letters》上的论文《Strong coupling between propagating spin waves and microwave photons in a superconducting resonator》,在混合量子系统和量子磁学领域取得了突破性进展。该研究由阿贡国家实验室的 Yi Li 博士及其合作团队完成,成功在实验上实现了传播自旋波与超导微波光子之间的相干强耦合,为片上自旋波量子总线和新型量子器件的开发奠定了坚实基础。



一、 研究背景:从宏观磁振子到传播自旋波

在过去十多年中,“腔磁振学”作为一门新兴学科迅速崛起。科学家们发现,将铁磁绝缘体(如高纯度的钇铁石榴石,简称 YIG)与超导微波谐振器或微波腔耦合,可以利用磁振子(自旋进动的量子化激发)与微波光子发生强耦合甚至超强耦合。这种耦合不仅能够实现微波与光学/自旋态之间的转换,还为探索宏观量子现象提供了优质的平台。

然而,传统的腔磁振学实验大多局限于宏观均匀磁化进动模式(即 Kittel 模)。在 Kittel 模中,整个样品的自旋是同相位进动的,其有效波矢k≈0。虽然这简化了理论分析,但也带来了明显的局限:

  1. 无法实现局域或定向传输:由于波矢接近零,Kittel 模不具备空间传播能力,难以用于构筑片上的信息输运通道。
  2. 波长尺寸不匹配:微波光子的波长通常在毫米到厘米量级,而自旋波(磁振子)的波长可以缩短至微米甚至纳米量级。如何跨越这巨大的空间尺度差异,将微波光子与具有高波矢的传播自旋波高效耦合,是学界面临的一大物理瓶颈。

该论文正是为了解决这一核心痛点而展开的。

二、 实验设计与技术创新

为了在微波光子和传播自旋波之间架起桥梁,研究团队在材料科学与微纳加工工艺上进行了精妙的设计:

  1. 高质量材料外延:研究人员采用了在无稀土衬底Y₃Sc₂Ga₃O₁₂ (YSGG) 上高质量外延生长的 YIG 薄膜。YIG 具有极低的磁阻尼,是研究自旋动力学的理想介质。
  2. 超导微纳器件集成:他们在 YIG 薄膜上方通过电子束光刻和微纳加工技术,直接制备了微米级线宽的氮化铌(NbN)超导共面波导谐振器。通过精细调控超导电路的几何结构,使得谐振器的微波磁场能够高效地与特定波矢的自旋波模式发生相互作用。
  3. 多模磁振子激发:实验成功激发并观测了两种关键的传播自旋波模式:
  • Damon-Eshbach (DE) 模:表面自旋波,具有天然的手性与非互易传播特性。
  • 反向体积 (Backward-Volume, BV) 模:体自旋波,其群速度与相速度方向相反。

三、 核心实验发现与物理机制

通过精密的微波光谱测量和外加磁场的调节,研究团队观测到了以下标志性成果:

  • 强耦合模式劈裂:当超导谐振器的频率与特定波矢的自旋波色散曲线相调谐时,能级谱中清晰地展现出了混合模式的反交叉现象。这直接证明了能量在微波光子和传播自旋波之间发生了相干、可逆的周期性交换,其耦合强度超越了各自的耗散率,正式步入了强耦合区间。
  • 非互易微波探测:由于 DE 模本身固有的手性特征(即正向与反向传播的自旋波对微波磁场的响应不同),研究人员成功利用这一特性实现了对混合磁振子模式的非互易探测。这一发现不仅深化了对磁电动力学的理解,也为构建片上单向微波器件(如隔离器、环行器)提供了全新的物理机制。

四、 科学意义与未来展望

这项研究成果在基础物理与实际应用层面都具有深远的影响:

  • 构建片上量子总线:传统的超导量子比特受限于尺寸和布线密集度。如果能将信息编码进传播自旋波中,利用自旋波在微纳尺度上定向传输的优势,就有望实现模块化超导量子处理器之间的低损耗相干连接。
  • 混合量子系统的新范式:它证明了宏观电磁学结构与微观自旋动力学不仅能在零波矢下对话,还可以在有限波矢的高频自旋波频段实现精准调控,为探索自旋电子学与超导量子电路的深度融合开辟了新路径。

综上所述,该论文不仅在实验上攻克了“微波光子-传播自旋波强耦合”这一长期存在的难题,更展现了量子磁学在未来片上量子信息处理中的广阔应用前景。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
全乱套了!少马爷收郭德纲为义子,大摆宴席排场拉满,郭汾阳也在

全乱套了!少马爷收郭德纲为义子,大摆宴席排场拉满,郭汾阳也在

汪巗的创业之路
2026-11-13 05:36:10
人每天最少要睡几个小时?医生坦言:低于这个时长,身体会承受不住

人每天最少要睡几个小时?医生坦言:低于这个时长,身体会承受不住

熊猫医学社
2026-11-11 11:35:05
谁能接管英伟达?这些人进入芯片业界视野

谁能接管英伟达?这些人进入芯片业界视野

界面新闻
2026-11-13 13:49:05
九合一选举,超2000万人投票,国民党选情交底,有6个县市危险?

九合一选举,超2000万人投票,国民党选情交底,有6个县市危险?

DS北风
2026-11-12 16:46:02
恭喜!上海男篮球员李添荣社媒晒结婚照并配文:一生所爱❤

恭喜!上海男篮球员李添荣社媒晒结婚照并配文:一生所爱❤

情感大头说说
2026-11-12 22:26:37
我在日本15年了,谈过5个日本女友,发现日本女孩都有一个共同点

我在日本15年了,谈过5个日本女友,发现日本女孩都有一个共同点

千秋文化
2026-06-02 19:39:08
12岁的小糯米独自赴英伦留学,这在富二代圈子里曾经是个潮流,但如今这么干的人少了

12岁的小糯米独自赴英伦留学,这在富二代圈子里曾经是个潮流,但如今这么干的人少了

一盅情怀
2026-11-10 15:45:57
原来她就是黄仁勋情人:比正妻小23岁,是个湖南姑娘,酷似张曼玉

原来她就是黄仁勋情人:比正妻小23岁,是个湖南姑娘,酷似张曼玉

林轻吟
2026-11-12 11:48:22
小学教师长期上班时间线上聚众赌博?教育局:情况属实

小学教师长期上班时间线上聚众赌博?教育局:情况属实

闪电新闻
2026-11-12 22:42:26
卢璐公开刘欢死因!膀胱癌瞒了14年,宁死不背尿袋,父母临终都不知情,网友:这才是体面

卢璐公开刘欢死因!膀胱癌瞒了14年,宁死不背尿袋,父母临终都不知情,网友:这才是体面

迪迪的娱乐故事
2026-11-13 11:06:10
收徒现场突然认义父:81岁马志明给郭德纲的,不是辈分是天津码头

收徒现场突然认义父:81岁马志明给郭德纲的,不是辈分是天津码头

一娱三分地
2026-11-12 16:17:24
校招群“劝学生别急于了解薪资”遭回怼?奇瑞声明:虚假招聘,已报案

校招群“劝学生别急于了解薪资”遭回怼?奇瑞声明:虚假招聘,已报案

界面新闻
2026-11-13 12:18:31
余承东只说了一半布局!华为发力OSTA星芒,但和苹果较量,手里还有另一张牌

余承东只说了一半布局!华为发力OSTA星芒,但和苹果较量,手里还有另一张牌

小蜜情感说
2026-11-13 10:25:59
女主播在缅甸视频流出:状态涣散,眼神无助,可惜了这么好的身材

女主播在缅甸视频流出:状态涣散,眼神无助,可惜了这么好的身材

皮蛋儿电影
2026-09-23 10:51:15
台积电创办人张忠谋:如果限制中国大陆,中国大陆真的没办法反制

台积电创办人张忠谋:如果限制中国大陆,中国大陆真的没办法反制

爱史纪
2026-11-08 03:00:43
再爆出轨,谁在搞死黄仁勋?

再爆出轨,谁在搞死黄仁勋?

热辣茉莉说
2026-11-12 09:31:14
妹子怀疑猫吃了800元买的角蛙,在网上蛐蛐猫一整天,结果反转了?网友:快拿10个罐罐给咪道歉!

妹子怀疑猫吃了800元买的角蛙,在网上蛐蛐猫一整天,结果反转了?网友:快拿10个罐罐给咪道歉!

铲屎官阿伟
2026-11-08 09:26:17
一男子在星巴克连续多日占座不消费,被店员提醒后投诉并报警,“消费入座”属商家自主安排还是变相设置最低消费?专家解读

一男子在星巴克连续多日占座不消费,被店员提醒后投诉并报警,“消费入座”属商家自主安排还是变相设置最低消费?专家解读

环球网资讯
2026-11-12 09:49:42
石破茂拐弯骂醒日本!30年前GDP是中国的7倍,如今只剩五分之一!

石破茂拐弯骂醒日本!30年前GDP是中国的7倍,如今只剩五分之一!

萧嚉影视解说
2026-11-11 21:03:59
官恩娜:我这辈子最正确的决定,就是患面瘫最无助时嫁了一个医生

官恩娜:我这辈子最正确的决定,就是患面瘫最无助时嫁了一个医生

飘飘然的娱乐汇
2026-11-11 20:00:17
2026-11-13 15:11:00
万象经验 incentive-icons
万象经验
专注科普
1557文章数 808关注度
往期回顾 全部

科技要闻

黄仁勋辞职,马斯克们抱不平!

头条要闻

牛弹琴:黄仁勋黯然辞职 至少释放三重信号

头条要闻

牛弹琴:黄仁勋黯然辞职 至少释放三重信号

体育要闻

28年前的“点球罪人”,把冠军带回大连

娱乐要闻

黄仁勋与黄乐合照曝光,吃饭氛围暧昧

财经要闻

72岁王健林重回“一号位”

汽车要闻

限时权益价8.88万 吉利星愿STAR限定系列发布

态度原创

房产
健康
教育
艺术
时尚

房产要闻

十年长草!三亚这个豪宅盘,爆出新消息!

痘痘长到25岁还没完?查查内分泌

教育要闻

中俄教育年独家专访|远东联邦大学副校长详解赴俄留学新趋势

艺术要闻

17位 国外画家笔下的女子

霍启山娜然婚礼将近,豪门新娘妆长什么样?

无障碍浏览 进入关怀版