撰稿|由课题组供稿
图1：米级光子-磁振子强耦合体系示意图
近年来，由于量子信息技术的发展以及凝聚态物理研究的深入，光-物质或物质-物质强耦合体系备受关切。强耦合是构建量子混合系统、处理和存储量子信息的重要手段，也是形成各种准粒子的物理根源。迄今为止，大部分光与物质的强耦合仍然局限于近场，在腔磁子电子学领域亦是如此。腔自旋电子学研究的对象是磁振子与谐振腔中的光子模式之间的强耦合。为达到这一目的，磁振子模式与光子模式必须有空间交叠，通常这只能在近场条件下实现。
使用第三方媒介（例如连续态、行波等）可以使两个在空间中完全分离的子系统产生长距离耦合（如图2所示），但是这种间接耦合难以达到强耦合状态。针对这一科学问题，本项工作提出在谐振腔光子模式中引入饱和增益的思路，突破了强耦合的近场限制，成功在长距尺度上实现了两个子系统之间的强耦合。
图2：常规的长程相互作用的示意图，其难以进入强耦合状态。左侧的红色部分表示磁振子模式，右侧的蓝色的部分表示微波谐振腔中的光子模式，两者通过下侧的Reservoir产生了间接耦合。
分别表示磁振子和光子模式的本征阻尼，以及它们向电磁行波中的能量耗散速率。C为两个模式耦合的协同效率，是一个判断耦合强弱的重要判据，一般强耦合需要C>1。
因此使得两个子系统之间的耦合协同率C超过1，达到强耦合的基本判据，使长程强耦合成为可能性。该方案具备很好的普适性，同时适用于相干耦合和耗散耦合两种耦合类型。
图3：(a) 光子-磁振子长程强耦合实验装置图。磁性小球中的磁振子模式（左上角）经过微波同轴线、移相器和衰减器后与有源平面谐振腔（右下角）连接。移相器和衰减器用于调控线缆中的电磁行波相位和振幅，进而实现切换光子-磁振子耦合状态和控制耦合强度。(b)集成有饱和增益的微波谐振腔，通过放大电路可以抵消光子模式本身的能量耗散，同时不改变光子-磁振子耦合强度。
在实验中，研究人员首先在近场展现了两种基本的强耦合现象；然后通过调整传输线中的电磁行波，将光子-磁振子强耦合推进到米级。
首先在近场相干强耦合情况下，团队测量了光子-磁振子同步模式随失谐度Δ变化的色散关系，结果如图4(a)、(b)所示。从低频与高频两个方向分别扫描失谐度Δ时，光子-磁振子同步模式分别在失谐度Δu和Δd两处出现了跳变。两个跳变点关于零失谐对称，展示了明显的双稳特性。这个结果和图4(c)、(d)中的理论计算结果是相符的。通过对动力学参数的提取，可得知此时系统已经达到了相干强耦合。
图4：图(a)和(b)是实验中从两个方向扫描失谐度(∆)时，系统的透射谱演化。图(c)中的点表示主峰位随着Δ变化的实验值，红色与绿色箭头表示着扫描的方向。而在模型的计算结果中，相位有三个解，黑色虚线表示其中的不稳定解，两个黑色实线则为稳定解。图(d)表示着两种模式相对相位随Δ的变化，各种线条的意义与图(c)一致。
紧接着，本工作又对耗散强耦合进行了探索。与相干强耦合实验不同的是，磁性样品由图2(b)中的位置A挪到了位置B，如图5(a)所示。这样能够最大程度上抑制相干耦合，使得系统中只保留由电磁行波介导的耗散耦合。图5(b)展示了光子-磁振子耗散强耦合的色散图。通过对模型中动力学参数的提取，此时耦合强度已超过磁振子阻尼，体系进入到了耗散强耦合区域。
图5：图(a)展示了实现光子-磁振子耗散强耦合时，磁性样品的位置。其中，
分别表示微波磁场和电场。图(b)展示了不同失谐度Δ下，耦合系统的透射谱演化。这一结果和能级排斥有明显的差异，具备耗散耦合下能级吸引的典型特征。图(c)为从(b)中提取出的光子-磁振子同步模式峰位与∆的关系图。实线是理论计算结果。图(d)表示理论计算得到光子模式与磁振子模式的相对相位θ。
在实现长程强耦合的过程中，研究者们发现，操控连接两个子系统的电磁行波，可对光子-磁振子耦合性质进行直接的调节。如图6所示，行波的相位和振幅可以分别通过调整相移器的相移量Φ与衰减器的透射系数σ来改变。根据理论，调节行波的相位，可以直接切换耦合的类型，即调整相干耦合与耗散耦合的占比。而调节行波的振幅，则能有效地控制长程耦合的距离。实验分别对这两点进行了验证。通过改变衰减器透射系数σ，在实验中，研究人员分别将相干耦合与耗散耦合的距离增加到了20米与7.6米。
图6：上侧的图片:米级长程光子-磁振子耦合的实验示意图。图(a)和(d)反映了衰减器的相干和耗散耦合强度与传输系数σ的线性关系。它们的顶轴表示每个σ对应的同轴线等效长度。黑色实线则为线性拟合结果。橙色(蓝色)箭头表示相干(耗散)耦合强度和磁振子阻尼的交点。图(b)和(c)表示σ = 1和0.63时ωs的的两个稳态解。橙色和绿色圆点表示失谐∆向上和向下扫时的实验测得的峰位ωs。图(e)和(f)表示在σ = 1和0.63的纯耗散耦合情况下实测的ωs。(b)、(c)、(e)、(f)中的黑色实线由理论计算得出。
综上，本实验开创了一条利用增益实现长程强耦合的新途径，并建立了一套定量分析的方法。此外，根据理论预测，米级并不是长程强耦合的距离极限，通过双向放大电磁行波的振幅，实验中有望实现远公里级的超长强耦合。实验中用于传递电磁行波的传输线也可以替换为其它载体，甚至可以直接替换为空气或真空，这意味着该方法有望实现无线长程强耦合。本工作的核心思路，并不仅仅局限于腔磁子电子学领域，亦能对其它物理体系实现长程强耦合提供建设性信息。
本项研究工作由上海科技大学、中国科学院上海技术物理研究所共同完成。论文第一作者为上海科技大学饶金威助理研究员，论文通讯作者为饶金威助理研究员、中国科学院上海技术物理研究所姚碧霂研究员和上海科技大学陆卫教授。该工作得到了国家自然科学基金优青、面上和青年项目，上海市基础研究领域项目和浦江人才计划，国家重点研发计划项目，中国科学院青促会项目和中国科学院先导专项的资助。相关论文在线发表在 Physical Review Letters (DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.106702)
