【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在磁光力混合系統(tǒng)研究方面取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)的董春華教授研究組將光力微腔與磁振子微腔直接接觸，證明該混合系統(tǒng)支持磁子-聲子-光子的相干耦合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的微波-光波轉(zhuǎn)換。該研究成果于2022年12月9日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Physics Review Letters》。
不同的量子系統(tǒng)適合不同的量子操作，包括原子和固態(tài)系統(tǒng)，如稀土摻雜晶體、超導(dǎo)電路、釔鐵石榴石(YIG)或金剛石中的自旋。通過將聲子作為中間媒介，可以實(shí)現(xiàn)對不同量子系統(tǒng)的耦合調(diào)控，最終構(gòu)建能發(fā)揮不同量子系統(tǒng)優(yōu)勢的混合量子網(wǎng)絡(luò)。目前，光輻射壓力、靜電力、磁致伸縮效應(yīng)、壓電效應(yīng)已被廣發(fā)用于機(jī)械振子與光學(xué)光子、微波光子或磁子的耦合。這些相互作用機(jī)制促進(jìn)了光機(jī)械領(lǐng)域和磁機(jī)械領(lǐng)域的快速發(fā)展。在前期工作中，研究組利用YIG微腔中的磁振子具有良好的可調(diào)諧特性，結(jié)合磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的單邊帶微波-光波轉(zhuǎn)換(Photonics Research 10, 820 (2022))。但是由于目前磁光晶體微腔的模式體積大、品質(zhì)因子難以進(jìn)一步突破，從而限制了磁光相互作用強(qiáng)度，導(dǎo)致微波-光波轉(zhuǎn)換效率較低。相比之下，腔光力系統(tǒng)雖已實(shí)現(xiàn)高效的微波-光波轉(zhuǎn)換，但由于缺乏可調(diào)諧性，在實(shí)際應(yīng)用中會受到限制。
圖注：a-b.磁光力混合系統(tǒng)示意圖，支持磁子-聲子-光子相干耦合；c.微波-光波轉(zhuǎn)換。
該工作中，研究組開發(fā)了一種由光力微腔和磁振子微腔組成的混合系統(tǒng)。系統(tǒng)中可以通過磁致伸縮效應(yīng)對聲子進(jìn)行電學(xué)操控，也可以通過光輻射壓力對聲子進(jìn)行光學(xué)操控，而且不同微腔內(nèi)的聲子可以通過微腔的直接接觸實(shí)現(xiàn)相干耦合。基于高品質(zhì)光學(xué)模式對機(jī)械狀態(tài)的靈敏測量，課題組實(shí)現(xiàn)了調(diào)諧范圍高達(dá)3GHz的微波-光學(xué)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于以往的磁光單一系統(tǒng)。此外，研究組觀測了機(jī)械運(yùn)動的干涉效應(yīng)，其中光學(xué)驅(qū)動的機(jī)械運(yùn)動可以被微波驅(qū)動的相干機(jī)械運(yùn)動抵消。總體而言，該磁光力系統(tǒng)提供了一種有效進(jìn)行操控光、聲、電、磁的混合實(shí)驗(yàn)平臺，有望在構(gòu)建混合量子網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。
沈鎮(zhèn)、徐冠庭、張勱為該論文的共同第一作者，董春華為該論文的通訊作者。上述研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心等單位的支持。(中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部)
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