磁振子-谐振腔体系中微波传输特性和微波干涉效应

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腔自旋电子学是研究谐振腔与磁振子之间耦合的新兴领域,主要目的是探索耦合体系的新颖现象,研究其中的物理机制,开发应用潜能。到现在为止,理论上和实验上发现磁振子和谐振腔之间存在多种耦合方式,例如磁振子与谐振腔之间的相干耦合,微波传输图谱表现为模式排斥。磁振子和谐振腔之间的耗散耦合,微波传输图谱表现为模式吸引。磁振子和谐振腔借助行波的间接耦合,通过调节耦合相位,可以实现微波传输图谱从模式吸引到模式排斥的连续变化。对于磁振子和谐振腔耦合的物理机制的研究为实际的应用铺平了道路,其中不断涌现的新现象也是我们充分挖掘其中物理机制的动力。目前对于该领域的研究仍然是冰山一角,还有许多物理值得我们去探索,例如我们在研究中发现,磁振子-谐振腔体系中的微波干涉效应同样会影响微波传输特性,从而影响基于该体系的物理机制的讨论和器件的设计应用。本文聚焦YIG-微带谐振腔体系以及YIG-铜圆柱谐振腔体系,重点研究了体系中的微波干涉效应,从实验和理论上对比了磁振子-谐振腔耦合效应与微波干涉效应在微波传输特性上的异同,丰富了腔自旋电子学研究的物理机制,为基于微波干涉效应的器件提供了新的思路。主要工作如下:(1)我们揭示了 YIG-微带谐振腔电路中由于微波干涉引起了微波传输,从微波传输强度及磁振子相位角度分析了微波传输图谱由模式吸引到模式排斥转变的物理因素。我们通过改变YIG在微带谐振腔上的位置,可以实现YIG中的磁振子分别由谐振腔和微带线中的行波驱动。我们观测到微波传输图谱分别表现为模式排斥和模式吸引。其中模式排斥可以用磁振子和谐振腔之间的耦合理论很好的描述。在磁振子和谐振腔之间不存在耦合的情况下,实验观测到的模式吸引与微波干涉理论模型的预测结果很好的吻合。我们发现模式吸引是由微波干涉引起的微波传输强度的重新分布引起的。两种状态下磁振子的相位变化了π,这是理解微波传输特性变化的关键物理因素。我们的工作强调了微波干涉在基于磁振子微波器件设计中的角色,这在微波器件的设计中是一个重要的问题。(2)我们研究了在YIG-微带谐振腔体系中由微波干涉产生的快-慢光现象。当磁振子模式以特定的模式频率共振时,两种路径(通过行波的直接路径和通过磁振子与谐振腔的间接路径)之间的破坏性干扰导致了微波传输的阻塞。这一现象伴随着微波传输相位的急剧变化,而这种相位的变化又强烈的调节了微波群速度。我们通过调节外部磁场使得磁振子模式穿过特定频率,微波传输相位极性发生反转,表现为相位延迟(慢光)和相位超前(快光)的切换。另外通过调节磁振子模式的外部阻尼,我们实验上实现了连续频率的微波传输阻塞模式,即宽频带的快慢光。最后我们还预测了宽频带快慢光与不同物理参数之间的依赖关系,如磁振子的内禀阻尼,谐振腔模频率,谐振腔内禀阻尼和谐振腔外部阻尼。我们的研究结果表明,YIG-微带谐振腔体系中的微波干涉效应是一种操纵快慢光的有效方法,在量子信息处理和存储中具有重要意义。(3)我们研究了 YIG-圆柱铜谐振腔体系中磁振子模式与反共振模式之间的微波干涉效应,通过调控二者之间的相位实现了对微波传输模式的调控。圆柱铜谐振腔对于微波具有很好的屏蔽作用,我们将YIG放置于圆柱铜谐振腔外部的微带线上,一方面可以很好的屏蔽掉圆柱铜谐振腔中共振模式与YIG中磁振子之间的耦合,使得体系中只存在微波干涉效应。另一方面通过调节YIG与圆柱铜谐振腔端口的距离,可以实现磁振子模式与反共振模式之间相对相位的调控。我们发现在磁振子与反共振模式同相位时,微波传输图谱表现为模式吸引;反相位时表现为模式排斥;相位正交时,则表现为模式交叉。而磁振子与共振模式无论是在同相位,反相位还是正交相位时,都表现为模式交叉,这正证明磁振子与铜圆柱谐振腔的共振模式之间没有耦合。我们的工作进一步验证了微波干涉的理论,首次在磁振子和谐振腔非耦合的情况下实现模式排斥的现象。这进一步完善了磁振子与谐振腔之间相互作用的物理机制,同时为微波器件的设计提供了新的思路。
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