1.Quantum Physics and Quantum Information Division, Beijing Computational Science Research Center, Beijing 100193, China 2.Department of Physics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
Fund Project:Project supported by the State Key Development Program for Basic Research of China (Grant No. 2016 YFA0301200) and the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11934010, U1801661, U1930402)
Received Date:21 October 2019
Accepted Date:07 November 2019
Available Online:26 November 2019
Published Online:05 December 2019
Abstract:Recently, the hybrid cavity-magnon system has attracted considerable interest. Owing to the good tunability of magnons, it is promising to use the magnons as a core to implement a hybrid quantum platform for transferring information among different quantum systems. In this article, we first briefly review the cavity magnonic systems and clarify the coupling mechanism between magnons and microwave photons. Then, we introduce the latest research progress in the aspects of nonlinearity and pseudo-Hermiticity, including the bistability of cavity magnon polaritons, observation of the second-order exceptional point in a PT-symmetric hybrid cavity-magnon system, and the pseudo-Hermiticity with a third-order exceptional point. Keywords:hybrid cavity-magnon system/ cavity magon polariton/ Kerr effect and bistability/ pseudo-Hermiticity and exceptional point
其中${\delta _{{\rm{LP}}}} = {\omega _{{\rm{LP}}}} - {\omega _{\rm{d}}}$为下支极化激元和驱动场之间频率失谐, ${\gamma _{{\rm{LP}}}} = {u^2}{\gamma _{\rm{m}}} + {v^2}{\kappa _{\rm{c}}}$为下支极化激元的衰减率, ${\kappa _{\rm{c}}}$和${\gamma _{\rm{m}}}$分别为腔模和自旋波模的衰减率. 这是一个关于${\varDelta _{{\rm{LP}}}}$的三次方程, 在一定参数条件下, 方程存在三个实根. 物理上, 方程的最大和最小两个根对应的是稳定的物理状态, 而中间的一个代表的是不稳定状态, 这就对应于腔自旋波量子极化激元的双稳现象. 实验装置如图1所示, YIG小球放置在一个三维微波腔中, 并在外加偏置磁场${B_0}$的作用下均匀饱和磁化. 三维腔的端口1和端口2与网络分析仪(VNA)相连, 用于探测微波腔的传输谱, 端口3与微波源(MW)相连, 通过环形天线直接驱动YIG小球. YIG小球的自旋波模和微波腔的TE102模式耦合, TE102模式的磁场分布如图1所示, YIG小球放置在TE102模式磁场最强处. 图 1 YIG小球和三维微波腔耦合系统示意图及腔内磁场分布模拟图[41] Figure1. Schematic of YIG sphere and three-dimensional microwave cavity coupling system and the simulation of magnetic field distribution in cavity[41].
当自旋波模和腔模共振时, 两支极化激元中腔模和自旋波模的成分各占一半, 两支极化激元的频率移动情况相同. 对于外加偏置磁场${B_0}$沿晶轴[100](即克尔系数$K > 0$)和沿晶轴[110](即克尔系数$K < 0$)两种情况, 下支极化激元的频率移动${\varDelta _{{\rm{LP}}}}$随驱动功率${P_{\rm{d}}}$的变化情况如图2所示. 当偏置磁场${B_0}$沿晶轴[100]时, 下支极化激元的频率移动${\varDelta _{{\rm{LP}}}}$为正. 在一定频率失谐量下, 腔自旋波量子极化激元的频率移动${\varDelta _{{\rm{LP}}}}$随驱动功率${P_{\rm{d}}}$变化, 并在临界点发生跳变, 图中箭头表示跳变方向. 驱动功率${P_{\rm{d}}}$先增大再减小的过程中, 腔自旋波量子极化激元的频率移动${\varDelta _{{\rm{LP}}}}$变化曲线形成一个逆时针的迟滞回线, 即腔自旋波量子极化激元的频率移动存在双穏现象. 下支极化激元频率${\omega _{{\rm{LP}}}}$和驱动微波频率${\omega _{\rm{d}}}$失谐${\delta _{{\rm{LP}}}}$的绝对值越大, 迟滞回线面积越大. 当偏置磁场${B_0}$沿晶轴[110]时, 随着驱动功率增加, 下支极化激元的频率移动${\varDelta _{{\rm{LP}}}}$为负, 迟滞回线为逆时针, 其他性质与偏置磁场${B_0}$沿晶轴[100]时类似. 图2中圆圈代表功率逐渐增大时实验测量数据, 三角形代表功率逐渐减小时实验测量数据, 虚线为理论结果. 显然, 实验结果与理论模拟相符合. 图 2 自旋波模和腔模共振时下支极化激元的频率移动随驱动功率变化情况 (a)偏置磁场沿晶轴[100]的情况; (b)偏置磁场沿晶轴[110]的情况[41] Figure2. When the magnon resonated with the cavity mode, the curves of the frequency shift of the lower-branch cavity magnon polaritons ${\varDelta _{{\rm{LP}}}}$ versus the driving power${P_{\rm{d}}}$: (a) The bias magnetic field is along the crystal axis [100]; (b) the bias magnetic field is along the crystal axis [110][41].
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4.1.赝厄米性
量子力学表明, 对于一个封闭的物理系统, 哈密顿量必须是厄米的才能保证其本征值是实的. 但任何实验上可实现的量子系统都是开放系统, 其有效哈密顿量本质上是非厄米的. 1998年, Bender和 Boettcher[50]发现对于满足PT对称性的哈密顿量, 其所有本征值都是实的或复共轭对. 对于PT对称的物理系统, 通过在临界点附近改变哈密顿量中某一参数, 系统可以在参数空间中实现从PT对称相到PT对称破缺相的相变[51], 相变的临界点称作n阶奇点. 这里所谓的n阶奇点, 物理本质上就是非厄米物理系统中的n阶简并点. 在n阶奇点处, 系统的n个本征值以及对应的n个本征矢都合并到一起. 2002年, Mostafazadeh[52,53]将PT对称理论拓展为: 对于任意一个哈密顿量$H$, 如果能够找到一个线性的厄米算符$U$使得哈密顿量满足${H^\dagger } = UH{U^{ - 1}}$, 则这个哈密顿量就是赝厄米的, 其所有本征值都是实的或复共轭对. 此外, Mostafazadeh还证明PT对称哈密顿量是赝厄米哈密顿量的一种. 以下文中凡是提到的赝厄米性均表示非PT对称的赝厄米性. 这里, 赝厄米哈密顿量、PT对称哈密顿量和厄米哈密顿量三者之间的关系如图3所示. 图 3 赝厄米哈密顿量、PT对称哈密顿量和厄米哈密顿量之间关系示意图 Figure3. Relationship between the pseudo-Hermitian, the PT-symmetric Hamiltonian and the Hermitian Hamiltonian.
24.2.腔自旋波混合系统中的二阶奇点 -->
4.2.腔自旋波混合系统中的二阶奇点
如图4所示, 将一个粘在细棍一端的YIG小球通过三维微波腔侧面的小孔置于腔内, 该混合系统的哈密顿量如(1)式所示, 其中腔模和Kittel模之间的耦合强度可以通过移动细棍来调节[42]. 此外, 通过三维微波腔的端口1和2将两束频率相同的微波场馈入腔内. 在端口i处(i = 1, 2), 输入场$a_i^{{\rm{in}}}$、输出场$a_i^{{\rm{out}}}$和腔场$a$之间满足$a_i^{{\rm{in}}} + a_i^{{\rm{out}}} =$$ \sqrt {2{\kappa _i}} a $, 其中由端口i诱导的衰减${\kappa _i}$可以通过改变伸入端口i的传输线长度来调节. 在一定参数条件下, 系统可以实现相干完美吸收(即$a_i^{{\rm{out}}} = 0$); 此时, 输入场与腔场之间满足$a_i^{{\rm{in}}} = \sqrt {2{\kappa _i}} a$. 在相干完美吸收的情况下, 腔自旋波混合系统的有效哈密顿量可以表示成 图 4 PT对称系统示意图 (a)实验装置示意图; (b)腔TE101模和TE102模磁场分布模拟图[42] Figure4. Schematic of PT-symmetrical system: (a) The schematic of experimental device; (b) the simulation of cavity mode ${\rm{T}}{{\rm{E}}_{101}}$ and ${\rm{T}}{{\rm{E}}_{102}}$[42].
PT对称性的自发破缺点在${g_{\rm{m}}} = {\gamma _{\rm{m}}}$处, 即二阶奇点处. 当${g_{\rm{m}}} > {\gamma _{\rm{m}}}$时, 哈密顿量的本征值${\omega _{1, 2}}$都是实的, 此时系统处于PT对称区; 当${g_{\rm{m}}} < {\gamma _{\rm{m}}}$时, 哈密顿量的本征值${\omega _{1, 2}}$为复共轭对, 系统处于PT对称自发破缺区. 实验中[42], 通过测量系统的总传输谱${\left| {{S_{{\rm{tot}}}}\left( \omega \right)} \right|^2} = {\left| {{S_{\rm{1}}}\left( \omega \right)} \right|^2}{\rm{ + }}{\left| {{S_{\rm{2}}}\left( \omega \right)} \right|^2}$来观察系统的PT对称自发破缺相变, 其中${S_{1(2)}}\left( \omega \right) = {{a_{1(2)}^{{\rm{out}}}} / {a_{1(2)}^{{\rm{in}}}}}$对应于端口1(2)的传输系数. 显然, 当相干完美吸收发生时, 系统的总传输谱${\left| {{S_{{\rm{tot}}}}\left( \omega \right)} \right|^2} = 0$. 实验上利用腔的${\rm{T}}{{\rm{E}}_{102}}$模和自旋波模耦合, 如图4(b)所示初始时将YIG小球放置在腔磁场分量最弱处, 自旋波模与腔模之间耦合强度最小, 然后通过沿$x$轴调节YIG小球偏离初始位置位移$x$来改变自旋波模与腔模之间的耦合强度. 图5分别从数值模拟和实验上展示了总传输谱${\left| {{S_{{\rm{tot}}}}\left( \omega \right)} \right|^2}$随YIG小球位置$x$以及输入场频率$\omega $的变化情况, 图中白色圆圈为系统本征能谱, 白色圆点为二阶奇点. 正如所期待的那样, 系统的实本征能谱和相干完美吸收频率一致. 当耦合强度${g_{\rm{m}}}$逐渐减小过程中系统的两个实本征能量逐渐靠近, ${g_{\rm{m}}} = {\gamma _{\rm{m}}}$时只有一个实本征能量, 实本征能量合并处即为从PT对称相到PT对称破缺相的二阶奇点. 因此, 可以通过测量腔模的总传输谱来观察PT对称系统的自发破缺相变和二阶奇点. 最近, Grigoryan等[54]从不同的角度出发, 考虑补偿的自旋转矩, 理论上给出了实现PT对称的自旋波量子与谐振腔耦合的体系. 图 5 PT对称系统中总传输谱${\left| {{S_{{\rm{tot}}}}\left( \omega \right)} \right|^2}$随YIG小球位置x以及输入场频率$\omega $的变化情况 (a)理论模拟结果; (b)实验结果[42] Figure5. The total transmission spectrum ${\left| {{S_{{\rm{tot}}}}\left( \omega \right)} \right|^2}$ versus the position of YIG sphere $x$ and the frequency of input field $\omega $: (a) The theoretical simulation results; (b) the experimental results[42].
24.3.腔自旋波混合系统中的三阶奇点 -->
4.3.腔自旋波混合系统中的三阶奇点
如图6(a)所示, 类似于PT对称的腔自旋波混合系统的装置, 在腔内放置两个YIG小球, 但每个YIG小球对应的Kittel模的频率可以单独调控. 这两个YIG小球中的Kittel模与同一个腔模通过磁偶极相互作用耦合, 混合系统的总哈密顿量可以写为 图 6 赝厄米系统示意图和理论结果模拟图[47] (a)赝厄米系统示意图; (b)理论模拟总传输谱${\left| {{S_{{\rm{tot}}}}\left( \omega \right)} \right|^2}$随耦合强度${g_1}$以及输入场和腔模之间的频率失谐量$\omega - {\omega _{\rm{c}}}$的变化情况 Figure6. The system schematic and the simulation of theoretical results of pseudo-Hermitian system[47]: (a) The schematic of pseudo-Hermitian system; (b) the total transmission spectrum ${\left| {{S_{{\rm{tot}}}}\left( \omega \right)} \right|^2}$ versus the coupling strength ${g_1}$ and the frequency detuning between the input field and the cavity mode $\omega - {\omega _{\rm{c}}}$.