微波频率下磁子的高合作性腔量子电动力学

利用安装在磁场聚焦腔中的亚毫米级 YIG（钇铁石榴石）球体，我们在毫开尔文温度和微波频率下展示了磁子模与光子模之间高达 $10^5$ 的超高合作性。该腔体采用一种新颖的多柱式设计以充当磁偶极子，有效地将腔内磁场聚焦于 YIG 晶体中，填充因子为 3%。对于一个约占光子能量 10% 的亮腔模，实现了 2 GHz 的耦合强度（正常模分裂），相当于 76 个腔线宽或每自旋 $0.3$ Hz，表明在微波频率下的自旋系统中实现超强耦合是可能的。通过直接优化，我们证明该系统有潜力达到 $10^7$ 的合作性，对应 5.2 GHz 的正常模分裂，且每自旋耦合接近 1 Hz。我们还观察到一个暗腔模与一个磁子模双重态对之间的三模强耦合机制，其中光子 - 磁子和磁子 - 磁子耦合（正常模分裂）分别为 143 MHz 和 12.5 MHz，半高全宽（HWHM）带宽约为 0.5 MHz。