由光力微腔和磁振子微腔組成的混合系統(tǒng)研究

中國科大郭光燦院士團隊在磁光力混合系統(tǒng)研究方面取得新進展。該團隊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，進而實現(xiàn)了可調(diào)諧的微波-光波轉(zhuǎn)換。

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。目前，光輻射壓力、靜電力、磁致伸縮效應、壓電效應已被廣發(fā)用于機械振子與光學光子、微波光子或磁子的耦合。這些相互作用機制促進了光機械領域和磁機械領域的快速發(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)合磁光效應實現(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)因子難以進一步突破，從而限制了磁光相互作用強度，導致微波-光波轉(zhuǎn)換效率較低。相比之下，腔光力系統(tǒng)雖已實現(xiàn)高效的微波-光波轉(zhuǎn)換，但由于缺乏可調(diào)諧性，在實際應用中會受到限制。

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對聲子進行電學操控，也可以通過光輻射壓力對聲子進行光學操控，而且不同微腔內(nèi)的聲子可以通過微腔的直接接觸實現(xiàn)相干耦合?；诟咂焚|(zhì)光學模式對機械狀態(tài)的靈敏測量，課題組實現(xiàn)了調(diào)諧范圍高達3GHz的微波-光學轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率遠高于以往的磁光單一系統(tǒng)。此外，研究組觀測了機械運動的干涉效應，其中光學驅(qū)動的機械運動可以被微波驅(qū)動的相干機械運動抵消?？傮w而言，該磁光力系統(tǒng)提供了一種有效進行操控光、聲、電、磁的混合實驗平臺，有望在構(gòu)建混合量子網(wǎng)絡中發(fā)揮重要作用。

審核編輯：郭婷