【摘要】：為了利用不同量子系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),科學(xué)家們提出了混合量子系統(tǒng)的概念。在各種混合系統(tǒng)中,腔自旋波混合系統(tǒng)受到了人們的廣泛關(guān)注。一般情況下,腔自旋波混合系統(tǒng)由三維微波腔中的微波光子(腔模)和釔鐵石榴石(YIG)樣品中的自旋波量子(Kittel模)組成。由于自旋之間的海森堡交換作用,YIG材料內(nèi)部的自旋系綜可以同時(shí)擁有較高的自旋密度和較低的耗散率,這使得腔自旋波混合系統(tǒng)可以達(dá)到強(qiáng)耦合區(qū),甚至超強(qiáng)耦合區(qū)。利用腔自旋波混合系統(tǒng)良好的可調(diào)性和相干性,可以實(shí)現(xiàn)一些新穎的物理現(xiàn)象,比如自旋波量子梯度存儲(chǔ)和腔自旋波電子學(xué)。除此之外,自旋波量子還可以和超導(dǎo)量子比特,聲子和光學(xué)光子相互作用。將來,有望以自旋波量子為核心,將不同的物理系統(tǒng)耦合起來,實(shí)現(xiàn)一個(gè)多功能的量子網(wǎng)絡(luò)。本博士論文中,我們理論上研究了腔自旋波混合系統(tǒng)中的非線性和非厄米性。非線性效應(yīng)廣泛地存在于各種物理系統(tǒng)中。在以前的自旋波研究中(沒微波腔),由于YIG材料的磁晶(或形狀)各向異性,自旋波量子之間存在相互作用,其可以導(dǎo)致自旋波模的雙穩(wěn)效應(yīng)。作為一種基本的非線性效應(yīng),雙穩(wěn)不僅對(duì)基礎(chǔ)物理研究很重要,而且在開光和存儲(chǔ)方面有著潛在的應(yīng)用。第三章中,我們?cè)谇蛔孕ㄏ到y(tǒng)中研究了自旋波克爾效應(yīng),其中一個(gè)YIG小球內(nèi)的Kittel模和三維矩形微波腔內(nèi)的腔模相互作用。在考慮YIG材料的磁晶各項(xiàng)異性的情況下,我們可以用一個(gè)諧振子與一個(gè)克爾非線性振子耦合的模型描述該混合系統(tǒng)。這里,在偏置磁場(chǎng)沿著YIG的[100]([110])晶軸的情況下,自旋波克爾項(xiàng)的非線性系數(shù)為正(負(fù))。當(dāng)自旋波量子激發(fā)數(shù)目較多時(shí),克爾非線性項(xiàng)可以等效成自旋波量子的有效頻率移動(dòng)。調(diào)節(jié)自旋波量子的頻率使其和腔模大失諧(即近似解耦),此時(shí),可以利用色散讀出的方法測(cè)量自旋波量子的頻率移動(dòng)。此外,在腔自旋波極化激元的基底下,我們證明了腔自旋波極化激元的雙穩(wěn)。對(duì)于正(負(fù))的克爾系數(shù),極化激元的頻率移動(dòng)隨著驅(qū)動(dòng)功率呈現(xiàn)出逆時(shí)針(順時(shí)針)的遲滯回線環(huán)。第四章是第三章的拓展,在更一般情況下研究了腔自旋波極化激元的雙穩(wěn)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)上除了直接驅(qū)動(dòng)YIG球,還可以直接驅(qū)動(dòng)微波腔。對(duì)于兩種驅(qū)動(dòng)方式,可以得到類似的雙穩(wěn)效應(yīng),但對(duì)應(yīng)的臨界功率不同。當(dāng)微波光子和自旋波量子大失諧(近共振)時(shí),直接驅(qū)動(dòng)微波腔所需的臨界功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于(近似等于)直接驅(qū)動(dòng)YIG小球所需的臨界功率。除此之外,我們證明可以通過測(cè)量微波腔的傳輸譜來探測(cè)腔自旋波極化激元的雙穩(wěn)效應(yīng)。我們的工作將腔自旋波混合系統(tǒng)的研究帶到了非線性區(qū)域,對(duì)實(shí)驗(yàn)有一定的指導(dǎo)意義。相比于其它物理系統(tǒng)中的雙穩(wěn)效應(yīng),腔自旋波極化激元的雙穩(wěn)效應(yīng)更容易控制。在量子力學(xué)中,為了保證擁有實(shí)的能譜,系統(tǒng)的哈密頓量必須是厄米的。然而,實(shí)際中所有的物理系統(tǒng)都會(huì)和環(huán)境相互作用從而產(chǎn)生增益或者耗散。一般情況下,大家利用量子郎之萬方程或者主方程來處理這種非厄米的問題。其實(shí),可以把這種耗散或增益包括到哈密頓量中,即非厄米量子力學(xué)。在非厄米物理中,奇點(diǎn)是一個(gè)很重要的概念,其中n-階奇點(diǎn)代表線性的非厄米系統(tǒng)中n個(gè)本征模合并到一起。當(dāng)非厄米的物理系統(tǒng)擁有贗厄米性時(shí),系統(tǒng)的本征能譜也可以是實(shí)的。第五章中,我們?cè)谮I厄米的腔自旋波混合系統(tǒng)中研究了三階奇點(diǎn)。將兩個(gè)YIG小球置于三維微波腔中,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)Kittel模同一個(gè)腔模的耦合。在合適的參數(shù)條件下,系統(tǒng)的有效哈密頓量具有贗厄米性,其中腔模的有效增益來源于微波腔對(duì)兩束輸入場(chǎng)的相干完美吸收。贗厄米性保證了系統(tǒng)的三個(gè)本征值要么都是實(shí)的,要么有一個(gè)是實(shí)的,另外兩個(gè)組成一個(gè)復(fù)共軛對(duì)。通過調(diào)節(jié)兩個(gè)Kittel模和腔模之間的耦合強(qiáng)度,我們發(fā)現(xiàn)在參數(shù)空間中存在三階奇點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)上,通過測(cè)量微波腔的總輸出譜,可以觀測(cè)到系統(tǒng)的贗厄米性和三階奇點(diǎn)。相比二階奇點(diǎn),三階奇點(diǎn)具有更豐富的物理,比如更復(fù)雜的拓?fù)湫再|(zhì)和進(jìn)一步提高探測(cè)器的靈敏度。此外,我們提出的方案或許可以用來探索其它有趣的贗厄米現(xiàn)象。
【圖文】：

．１鐵磁晶體中集體激發(fā)的自旋波量子（即靜磁模，白色）和其它不同物理系統(tǒng)用示意圖。與自旋波量子有關(guān)的混合系統(tǒng)中，最基本最常見的是微波腔模（藍(lán)量子之間通過磁偶極相互作用形成的腔自旋波混合系統(tǒng)。雖然超導(dǎo)量子比特（綠波量子直接耦合比較困難，但其和微波腔之間通過電偶極很容易耦合。因此，用中介，可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特和自旋波量子之間的間接耦合。在光磁系統(tǒng)中，磁（紅色）；，可

腔的腔場(chǎng)不均勻性以及較大的Ｋｉｔｔｅｌ模線寬，，實(shí)驗(yàn)上并沒有觀察到本征模式劈裂［５１］。逡逑２０１４年，Ｚｈａｎｇ等人［３８］和Ｔａｂｕｃｈｉ等人［３７］分別在室溫和低溫下實(shí)現(xiàn)了ＹＩＧ小球中自逡逑旋波量子和三維微波腔中光子之間的強(qiáng)耦合并觀察到了本征模式劈裂，如圖１．２所逡逑示。盡管ａｉａｎｇ等人［３８］和Ｔａｂｕｃｈｉ等人［３７］的文章中都證明了耦合強(qiáng)度可調(diào)，但所用逡逑方法不同，前者是利用不同的微波腔實(shí)現(xiàn)耦合強(qiáng)度的可調(diào)，后者則是利用不同大小逡逑的ＹＩＧ小球。在Ｈｕｅｂｌ等人［３６］和Ｔａｂｕｃｈｉ等人［３７］的工作中，由于是低溫，其環(huán)境中熱逡逑光子數(shù)目小于１，在量子區(qū)域。而Ｚｈａｎｇ等人［３８］的工作則是在經(jīng)典區(qū)域演示了類Ｒａｂｉ逡逑振蕩，Ｐｕｒｃｅｌｌ效應(yīng)，磁誘導(dǎo)透明等現(xiàn)象。逡逑２８０邋２８１邋２８２逡逑Ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邋（ｍＴ）逡逑圖１．２邋（ａ）下面：實(shí)驗(yàn)上所用的腔自旋波混合系統(tǒng)示意圖，該餛合系統(tǒng)由三維微波腔（該圖僅逡逑展示了三維微波腔的一半）和ＹＩＧ小球組成。上邊：模擬的三維微波腔ＴＥ１０１模的磁場(chǎng)分布。逡逑藍(lán)色的箭頭和顏色分別表示腔場(chǎng)的方向和幅度。（ｂ）反射譜隨著偏置磁場(chǎng)（即自旋波量子頻逡逑率）和探測(cè)場(chǎng)頻率變化。逡逑我們以文獻(xiàn)［３８］中的實(shí)驗(yàn)為例，介紹一下實(shí)驗(yàn)上腔自旋波量子混合系統(tǒng)的強(qiáng)耦逡逑合。如圖１．２（ａ）所示
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O413

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