Strong coupling between propagating spin wave and microwave photons in a superconducting resonator

技术摘要：超导谐振器中传播自旋波与微波光子的强耦合

问题陈述
虽然混合磁子学为量子信息处理提供了一个多功能的平台，能够将固态磁激发（磁子）与微波光子耦合，但实验演示主要集中在均匀的集体自旋激发（即 Kittel 模式）上。实现先进量子功能所需的独特材料特性——例如用于片上隔离器的固有磁子非互易性以及自旋波介导的纠缠——依赖于“传播型”自旋波。然而，在低温环境下探索腔磁子学中的传播自旋波仍具有挑战性。金属铁磁体在低温下会受到增强的类电导阻尼的影响。此外，标准的低阻尼磁性绝缘体——钇铁石榴石（YIG）通常生长在钆镓石榴石（GGG）衬底上，而 GGG 在低温下表现出复杂的磁有序和强微波吸收，阻碍了其与超导电路的集成。

方法论
为了解决这些挑战，作者开发了集成传播自ilian自旋波与微波光子的超导混合磁子电路。实验方法涉及以下关键步骤：

• 衬底与薄膜生长： 通过溅射技术将 YIG 薄膜生长在无稀土元素的 Y3Sc2Ga3O12 (YSGG) 衬底上。这种选择避免了 GGG 在低温下的磁性复杂问题。薄膜经过 850 °C 退火处理，并通过透射电子显微镜 (TEM) 确认具有高外延质量。
• 器件制备： 使用 NbN 超导层直接在 YIG 薄膜上制备超导共面波导 (CPW) 谐振器。为了最大限度地减少磁邻近效应，在 YIG 和 NbN 之间沉积了一层 10 nm 的 SiN 缓冲层。研究设计了两种谐振器几何结构：直型四分之一波长 ($\lambda/4$) 谐振器和蛇形谐振器。两者都具有微米级的信号线宽度（范围从 0.5 到 2 $\mu$m），以匹配短波长自旋波模式，同时保持毫米级的长度以与微波光子产生共振。
• 测量： 采用矢量网络分析仪 (VNA) 光谱技术，在面内磁场下测量透射光谱。研究考察了 Damon-Eshbach (DE) 和后向体积 (BV) 自旋波配置。为了研究非互易性，在蛇形谐振器旁边制造了一个平行的 CPW 耦合器，用于检测辐射自旋波。

核心贡献与结果

• 强耦合实现： 研究展示了传播自旋波模式与微波光子之间的强耦合，其耦合强度 ($g$) 超过了磁子 ($\kappa_m$) 和光子 ($\kappa_c$) 的阻尼率。
  • 对于 $\lambda/4$ 谐振器 ($w=2$ $\mu$m)，提取出的耦合强度为 $g/2\pi = 115$ MHz，磁子阻尼率为 $\kappa_m/2\pi = 70$ MHz。
  • 对于蛇形谐振器 ($w=1$ $\mu$m)，利用具有改进晶格匹配性的薄膜，DE 模式的耦合强度达到 $g/2\pi = 150$ MHz，且磁子阻尼率降低至 $\kappa_m/2\pi = 34$ MHz。
• 模式识别与色散： 研究人员观察到了谐振器模式与特定自旋波模式之间的避免交叉（avoided crossings）。自旋波模式相对于准 Kittel 模式表现出频率偏移，符合理论色散关系：DE 模式为正偏移，而 BV 模式为负偏移。此外，还观察到了垂直驻波自旋波 (PSSW) 模式，由于微波场不均匀性的增加，蛇形几何结构增强了对这些模式的耦合。
• 非互易性： 通过修改检测耦合器，作者在 DE 配置下展示了混合磁子模式中的非互易传输。在正向 ($S_{21}$) 和反向 ($S_{12}$) 传输之间测得 4 dB 的功率隔离度，且该隔离度在翻转磁场时发生反转。这证实了将固有自旋波非互易性集成到混合系统中的可行性。
• 定量分析： 提取的耦合强度和线宽根据理论模型进行了分析。计算得出蛇形谐振器中 DE 模式的合作度 ($C = g^2/\kappa_c\kappa_m$) 为 662，BV 模式为 294，明确将系统置于强耦合机制中。研究还估算了自旋波辐射阻尼，发现其小于内在磁子弛豫，表明在当前器件中内在阻尼占主导地位。

意义
论文声称，这些结果为将自旋波磁子学与腔磁子学集成开辟了新途径。通过使用 YIG/YSGG 混合电路在低温下成功实现与传播自旋波的强耦合，这项工作将腔磁子学的范畴从均匀 Kittel 模式扩展到了更广阔的领域。非互易性的展示突显了将此类特性整合进混合系统（如用于片上隔离器）的潜力。此外，无需侧向自旋波限制即可实现强耦合的能力，为构建用于量子信息科学的低温混合磁子电路提供了路径，包括在量子磁子操作和传感方面的潜在应用。