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西安交大科研人员在量子物理领域取得重要研究进展

来源:西安交通大学时间:2021-07-08

西安交通大学物理学院李蓬勃教授课题组在自旋-光机械晶体混合量子体系研究方面取得重要进展,提出了实现自旋-声子手性相互作用的新机制。该成果以“Unconventional Quantum Sound-Matter Interactions in Spin-Optomechanical-Crystal Hybrid Systems”为题,5月21日发表在 Physical Review Letters (《物理评论快报》)上。

混合量子系统结合了多种完全不同的物理体系,可以实现单个组件无法提供的新功能,是实现高品质量子器件的重要系统。量子声学微纳结构通过将声学模式压缩在微纳米尺度,从而允许在微纳米尺度上研究量子化声波与物质的相互作用。但是,和光与物质相互作用情况不同,声子没有偏振,无法天然实现自旋-声子的手性耦合,要实现声与物质的手性相互作用仍然是一个科学难题。

李蓬勃教授课题组与合作者通过开展金刚石SiV center电子自旋和光机械晶体耦合的全量子理论研究,发现并提出了一种全新的理论方案——利用声光晶体中能带可调谐的量子化声波和金刚石空位电子自旋态耦合,可以自由调节自旋-声子耦合的手征特性。通过外加具有空间相位分布的激光场,基于光-声耦合机制可以自由调节声波模式的能带结构和性质,从而可以产生一系列声与物质相互作用导致的奇异量子现象。由于光-声耦合,声子的能带就会受到激光空间相位的调制。在特定条件下,声子能带会呈现非对称结构,从而打破时间反演对称性。更为重要的是,声子带隙的闭合与否可以通过激光相位来调制。当SiV center的共振频率落在某一个能带上时,由于声子色散关系时间反演对称性破缺,此时自旋向左右两个方向发射声子的速率将不同,从而导致自旋与声子的手性耦合。

(a)一维声光晶体,其中镶嵌有SiV自旋阵列(b)SiV色心自旋的物理结构

基于金刚石SiV center与光机械晶体强耦合体系构建的新型混合固态量子系统结合了SiV center丰富的自旋和轨道自由度与卓越的自旋和光学特性,以及人工微纳量子声学材料的能带结构丰富、可调制与易操控特性,具有潜在的应用价值和科学意义。该研究为实现强耦合条件下的自旋-声子混合量子系统奠定了基础,有望在基于固态电子自旋的手性量子器件以及量子探测等领域中获得重要应用。

西安交通大学物理学院为该论文的第一完成单位,博士生董星亮为论文第一作者,李蓬勃教授为论文通讯作者。参与此工作的还有日本理化学研究所的Franco Nori教授、华南理工大学刘涛教授。

近年来,李蓬勃教授课题组开展了新型量子器件的物理机制等基础性研究,提出了基于内禀磁耦合、双声子参量驱动、空间相位调制等方法增强(实现)自旋-声子(手性)相互作用的新机制,解决了单固态自旋量子比特与单声子强(手性)相互作用的难题,为构建强耦合条件下的混合量子器件开辟了新的途径。在物理科学领域代表性期刊Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. A、Phys. Rev. Applied和Phys. Rev. Research等发表一系列重要论文。研究工作得到国家自然科学基金、陕西省杰出青年基金、西安交大青年拔尖人才支持计划、日本科学技术振兴机构科学项目等项目的支持。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.203601

李蓬勃教授课题组链接:http://gr.xjtu.edu.cn/web/lipengbo