腔自旋波电子学中的宇称时间联合反演对称性与量子效应

Light-matter interaction is a central subject in quantum information and communication science and technology. It is also a challenging problem in theoretical physics. Cavity magnonics is an emerging field of modern magnetism that looks into the hybrid systems consisting of resonantly coupled spin ensembles and microwaves, and investigates the interaction between spin waves (magnons) and photons. In addition to utilize spin waves/magnons as the information carriers due to its long coherent time, it also combines the advantage of photons of manipulability. It is concerned with pushing the understanding of the behavior of the magnetization on all kinds of length scales and timescales and how they can be applied to generate new technologies and computing concepts. Parity-time (PT)-symmetric quantum mechanics is to broaden the canonical formulation of quantum mechanics, based on one of the postulates that the hermiticity of observable physical quantities ensures the Hamiltonian has a real spectrum. However, replacing this mathematical condition by the weaker combined PT-symmetry, one obtains a new class of complex Hamiltonians whose spectra are still real. In this project, we plan to propose a general theoretical model, to study the strong coupling between magnon and photon in the PT-symmetric magnet in microwave cavities. We aim to predict some new physical effects, such as magnon-laser and magnon-polariton laser, and resolve the debates about the quantum and classical. We hope our theoretical studies can provide important reference for quantum mechanics, and for cavity magnonics in particular.

光与物质相互作用是未来量子通信和量子计算的基础，也是物理学研究的一大难题，新兴结果的涌现常引发学术界关于经典和量子的争论。腔自旋波电子学是最近兴起的关于多自旋体系与共振腔相互作用的研究领域。它融合了自旋波电子学与光学，探索以自旋波为信息载体的系统与共振腔形成的杂化态，涉及光子与磁振子的复杂耦合及可能出现的量子效应。宇称时间反演(PT)对称性的研究涉及检验量子力学的基本假设之一，即可观测量的厄米算符表示。非厄米哈密顿量仍具有实数本征解是PT-对称性给量子力学带来的一大挑战，而这一研究在磁学领域鲜有报道。本项目中，申请人拟研究具有PT-对称性的腔自旋波电子学里的强相互作用，建立一般性理论模型，分析具有PT-对称性的自旋波动力学和磁光杂化行为，预言新物理效应，如磁振子激光等；澄清领域内有关量子与经典的争论。以此为突破口，为将来量子力学以及腔自旋波电子学的发展提供关键的理论基础。

我们提出了一种基于时间-宇称对称（Parity-time symmetry）微波腔自旋电子学的高灵敏磁力计原理。微波腔自旋电子学（Spin Cavitronics）是一门融合了腔量子电动力学和自旋电子学两大领域的新兴交叉学科，利用极低耗散的铁磁绝缘体与微波腔中的光子发生共振耦合形成的腔磁光极化子（Cavity magnon polariton）包含了自旋方向和光子数目的纠缠态，结合自旋相干时间长的特点，对未来量子计算和量子网络的发展有着广阔的应用前景。另一方面，高灵敏度的磁力计广泛应用于各个领域，寻求一种固态，室温和超高灵敏度的磁力计是一项非常重要而具有挑战性的课题。而满足宇称-时间-对称性的非厄米量子系统具有实数域到复数域的本征值相变，对应的相变点为非厄米简并点，也被称之为例外点（Exceptional point）。在例外点附近，系统频率响应的改变量随着外界扰动量服从分数幂次的关系，从而可以极大的提高系统对外界微扰的灵敏度。对磁性系统中例外点的研究，对于高灵敏度磁力计，磁感应传感器的发展应用有重大意义。我们考虑一个三粒子（玻色子）相互作用的系统，包含两个具有PT-对称性的磁振子(Magnon)，具有互为补偿的能量损耗和增益，同时和微波共振腔中的单光子(photon) 发生相互作用。我们的结果显示，该系统存在三阶EP点，该系统的透射谱具有“Z”型的明显特征，这区别于传统磁光极化子所对应的反交叉透射谱。在PT-对称性区域，系统存在一个线宽极小的暗态。当系统随参数演化到EP3时，透射谱呈现出阶梯函数的形式，我们在该点定义了磁灵敏度，并验证了其随外磁场的响应满足立方函数关系，我们所估算的磁灵敏度可达到1fT/Hz^1/2. 我们还提出了可以构造具有PT-对称性的电路与磁性体耦合的方式，以及在纯磁性系统中来实现相应的三阶EP点和磁性灵敏度的方案。我们的工作为研究磁系统中的高阶EP点和设计具有超高灵敏度的磁传感器铺平了道路。