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基于R-shaped平面微谐振器的高Q值磁子-光子耦合与非线性效应研究。摘要：设计并制备了高Q值（730）和微波转换效率（337 Oe/W^?）的R-shaped平面微谐振器（PMR），通过调整偏置磁场方向（在平面或垂直于平面），实现了微波光子与YIG磁子的强耦合。在外磁场垂直于平面且微波功率超过-10 dBm时，观察到磁子模式蓝移和梳状光谱，前者源于磁子本征非线性，后者由磁子-光子混合及多声子耦合引起。该研究为非线性腔磁子学及集成量子信息器件开发提供了新途径。
Xinhui Ma | Guanqi Ye | Fusheng Ma
中国南京师范大学物理与技术学院物理前沿与交叉科学研究所，省属高校国家操控与先进材料重点实验室，南京 210046
摘要
随着量子信息技术的发展，耦合磁振子-光子系统的非线性效应引起了广泛关注。在本研究中，我们设计并制造了一种具有高品质因数和高微波转换效率的R形平面微谐振器（PMR）。在不同的偏置磁场配置下，实现了PMR中的微波光子与YIG中的磁振子之间的强耦合。有趣的是，在垂直于平面方向的偏置场和高微波功率下，其光谱表现出两个特征：磁振子模式的蓝移和梳状谱线。磁振子模式的蓝移源于磁振子的固有非线性，而梳状谱线则源于磁振子模式与微波光子模式及声子模式的混合。我们的发现表明，PMR在探索非线性腔体磁振子学和片上集成量子信息技术方面具有潜力。
引言
在过去几十年中，量子信息领域取得了显著进展。将磁振子与微波光子[1]、[2]、光学光子[3]、[4]、磁振子[5]、[6]、[7]、声子[8]、[9]、[10]以及超导量子比特[12]耦合的混合量子系统在现代磁学中展现出巨大潜力[13]。其中，具有光子-磁振子（P-M）耦合的腔体磁振子学因其独特优势而备受关注[14]、[15]。该理论最早由Soykal和Flatté在2010年提出[1]、[2]，并自2013年起在多种系统中得到实验验证[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。
为了满足实验需求，设计了不同类型的谐振器来研究相干和耗散的P-M耦合。根据结构差异，谐振器主要分为两类：三维（3D）谐振器和平面谐振器。3D谐振器通常由高纯度铜制成，具有矩形或圆柱形结构，其尺寸在厘米级别[30]、[31]、[32]。尽管它们具有低阻尼和高品质因数Q的优势，但由于体积较大，与集成电路的兼容性较差。相比之下，平面谐振器与集成电路的兼容性更好，因为它们尺寸小且可以通过标准微技术制造在硅基板上。平面谐振器的平面尺寸通常在厘米级别，垂直于平面的厚度在微米级别，常见的结构包括分裂环谐振器[33]、[34]、T形谐振器[35]和十字形谐振器[36]、[37]。然而，由于平面谐振器的导电线比3D谐振器的壁薄得多，其品质因数Q通常较低，通常小于100[38]。因此，需要高品质因数的平面谐振器来抑制能量损耗，从而实现强P-M耦合。
受到各种系统中P-M耦合成就的启发，研究人员开始关注非线性效应。迄今为止，已经发现了基于P-M耦合的各种非线性效应，如频率移动[39]、[40]、双稳态[41]、非互易性[36]、高阶旁带[44]、[45]、Suhl不稳定性[46]、频率梳[47]、[48]、[49]以及混沌[50]。在非线性区域研究耦合P-M系统需要足够强的微波磁场。为了提供强微波磁场，设计同时具有高品质因数和高微波转换效率的平面谐振器对于探索非线性效应至关重要[51]、[52]、[53]、[54]。
在本研究中，我们实验性地研究了R形平面微谐振器（PMR）中的微波光子与钇铁石榴石（YIG）薄膜中的磁振子之间的耦合。研究发现，当偏置磁场垂直于平面或平行于平面方向施加时，铁磁共振（FMR）模式可以与微波光子模式强耦合。此外，在垂直于平面的偏置场下，PMR的高微波转换效率导致了两种基于P-M耦合的非线性效应：首先，由于磁振子的固有非线性，FMR模式的频率向更高值移动；其次，测量得到的光谱显示出明显的梳状特征，这是由于FMR模式与微波光子模式及多个声子模式的混合所致。我们的发现表明，PMR可以丰富腔体磁振子学领域中研究非线性现象的方法。
方法
为了实现高品质因数和高微波转换效率，我们设计并制造了如图1(a)和(b)所示的R形PMR。采用的R形布局可以集中磁场，从而提高微波转换效率。为了优化其品质因数Q，我们选择了具有低介电损耗的高电阻率硅晶片作为PMR的基板，并在基板两侧进行金属化处理以减少辐射损耗。在制造PMR的过程中，我们首先...
结果
首先，对制造的R形PMR的性能进行了表征。图1(a)显示了R形PMR的照片。SMA同轴连接器通过馈线与PMR相连。通过调节馈线两侧的扇形结构，可以调节谐振频率。图1(b)展示了PMR的光学显微照片，右上角插图显示了直径为20微米的环形结构。PMR的等效电路...
结论
总结来说，我们在硅基板上制造了一种高品质因数Q为730、高微波转换效率Λ为337 Oe/W^1/2的PMR。实验观察到，在OP/IP场下，PMR中的微波光子与YIG中的磁振子之间存在强耦合，g_ma/2π = 24/23 MHz。此外，在OP场和微波功率超过-10 dBm的情况下，我们观察到了磁振子模式的蓝移和梳状谱线。磁振子模式的蓝移源于磁振子的固有非线性...
作者贡献声明
Xinhui Ma：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，研究，数据分析。Guanqi Ye：撰写 – 审稿与编辑，方法论，研究。Fusheng Ma：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFF0718400）和国家自然科学基金（项目编号：12474119和12074189）的支持。
