磁振子的玻色爱因斯坦凝聚在光学谐振腔中的形成与调控

To understand the quantum properties of magnons is crucial for the combination of magnonics and quantum information. Although there have been great breakthroughs in transporting dissipationless spin currents by magnons, the study of magnons’ quantum characteristics is still in its infancy. Hence, we propose in this project to study: (1) Based on our previous work, we will study further how to accomplish coherent transfer between photons and magnons in optical cavities made of magnetic solids, with prolonging the life time of certain coherent magnon states; (2) With Fokker-Plank equations, we will study the criterions for preparing magnon Bose-Einstein condensation (BEC) in optical cavities; (3) With quantum Langevin equations, we will simulate the transmission spectra for magnon BEC and its excitations. This project has great potential in understanding and applying the quantum features of magnons.

磁振子的量子特性对于磁振子自旋电子学与量子信息技术的可能结合有着重要的意义。目前磁振子自旋电子学在低能耗传输自旋流方面取得了突出的进展，但是对磁振子的量子特性的研究还处于萌芽阶段。本项目拟开展以下研究：（1）在我们的前期工作基础上，进一步研究在填充有磁性介质的光学谐振腔中如何实现微腔光子和磁振子的相干耦合与转换，并探讨如何延长特定磁振子相干态的寿命；（2）基于Fokker-Plank方程，探索在光腔中实现磁振子的宏观玻色爱因斯坦凝聚态的调控条件；（3）基于开放系统的量子朗之万方程的数值模拟计算通过光腔的透射谱，并研究使用透射谱分析磁振子玻色爱因斯坦凝聚态的基态和激发谱的方法。本项目对磁振子的量子特性的研究及其应用具有比较重要的意义。

激光泵浦磁振子可以通过调节控制光的频率，在可能发生凝聚的量子态附近生成大量的磁振子，从而提高了形成凝聚态的磁振子在通过泵浦产生的磁振子中的占比。相比之下，通过微波参数泵浦产生的磁振子，其绝大多数都被用来填充其他热力学平衡态，而没有有效地参与凝聚态的形成过程。本项目围绕激光泵浦磁振子，取得了以下研究成果：（1）通过量子Langevin方程，推导出了激发磁振子所需要的激光功率阈值表达式P_1，和形成磁子凝聚态的功率阈值表达式P_2。与微波参数泵浦磁振子相比，利用光腔泵浦磁振子最大的区别在于，由于光腔的模式选择特性，三磁振子相互作用对于磁振子粒子数达到热平衡的过程起主要的贡献；（2）利用光腔透射谱监控外加磁场对磁振子凝聚态的调制；（3）实现磁振子凝聚态的激发态与光子的相干转换，并利用控制光、以及外加磁场进行调控；（4）磁性金属表面存在单方向手性模，并且手性模式的传播方向和频率强烈地依赖于磁化强度方向。针对在光腔中通过磁光相互作用产生的磁振子，本项目把光腔做为媒介，将相干的光量子态转化为磁振子的宏观量子态，为光量子信息技术与磁振子量子信息技术的交叉研究创造条件。