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量子物理

arXiv:2501.04574 (quant-ph)
[提交于 2025年1月8日 ]

标题: 混合光子-磁振子系统:探索普尔塞效应

标题: Hybrid Photon-magnon Systems: Exploring the Purcell Effect

Authors:Sachin Verma, Abhishek Maurya, Fizaan Khan, Kuldeep Kumar Srivastava, Rajeev Singh, Biswanath Bhoi
摘要: 我们提出了一种新方法,在由钇铁石榴石(YIG)薄膜和六边形环形谐振器(HRR)组成的光子-磁振子耦合(PMC)混合系统中观察普塞尔效应,这些组件以平面几何结构排列。 该混合系统已使用商业电磁全波仿真软件CST Microwave Studio进行了设计和模拟,针对YIG薄膜的不同阻尼常数(alpha)值,同时保持HRR特性不变。 我们的结果表明,随着磁振子阻尼的增加,传输光谱中光子和磁振子模式之间的反交叉行为减弱,使耦合模式过渡到普塞尔区域。 这种转变归因于当微波光子与损耗磁振子耦合时,自发发射率的增强,从而将PMC系统带入普塞尔区域。 为了阐明这种行为,我们开发了一个基于量子模型的全面理论框架,该框架准确描述了观察到的普塞尔现象,并提供了PMC强度(g/2pi)的估计值。 值得注意的是,通过将alpha从1.4 x 10^-5调节到2.8 x 10^-2,我们实现了对(g/2pi)的精确控制,范围从63 MHz到127 MHz。 本研究突显了普塞尔效应对增强光子衰减率的作用,并建立了与PMC强度的明确关系。 我们的工作提供了一种全面控制光子共振耗散的方法,为探索普塞尔效应及其在片上功能器件中的应用开辟了新的途径,利用磁振子-光子相互作用用于量子技术。
摘要: We present a novel approach to observing the Purcell effect in a photon-magnon coupled (PMC) hybrid system consisting of a yttrium iron garnet (YIG) thin film and a hexagonal ring resonator (HRR) arranged in a planar geometry. This hybrid system has been designed and simulated using the commercial electromagnetic full-wave simulator CST Microwave Studio for various values of damping constant (alpha) of the YIG film while keeping the HRR properties constant. Our results reveal that as the magnon damping increases, the anti-crossing behavior between photon and magnon modes in the transmission spectra diminishes, transitioning the coupled modes into the Purcell regime. This transition is attributed to an enhanced spontaneous emission rate of microwave photons when coupled to lossy magnons, driving the PMC system into the Purcell regime. To elucidate this behavior, we developed a comprehensive theoretical framework based on a quantum model, which accurately describes the observed Purcell phenomena and provides estimations of the PMC strength (g/2pi). Notably, by tuning alpha from 1.4 x 10^-5 to 2.8 x 10^-2, we achieved precise control over (g/2pi) ranging from 63 MHz to 127 MHz. This study highlights the Purcell effect's role in enhancing photon decay rates and establishes a clear relationship with PMC strength. Our work offers a comprehensive method for controlling photon resonance dissipation, opening new avenues for exploring the Purcell effect and its applications in on-chip functional devices leveraging magnon-photon interactions for quantum technologies.
评论: 7页,3图,1表
主题: 量子物理 (quant-ph)
引用方式: arXiv:2501.04574 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2501.04574v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.04574
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Biswanath Bhoi [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 1 月 8 日 15:44:59 UTC (3,209 KB)
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