继2018年在《Science》杂志上发表论文“Observation of Dicke cooperativity in magnetic interactions”之后，我校曹世勋教授与上海理工大学和莱斯大学、京都大学、北海道大学、横滨国立大学、东北大学、德国比勒费尔德大学的物理学家组成的国际研究团队，在稀土正铁氧体YFeO3单晶中发现了一个具有超强耦合特性、基于磁子的物质-物质相互作用系统。本论文工作围绕高质量稀土铁氧化物YFeO3单晶样品展开，曹世勋教授为共同通信作者，上海大学材料基因组工程研究院、物理系和上海大学量子与分子结构国际中心为共同通信单位。曹世勋教授指导博士生马小璇提供了研究用高质量大块YFeO3单晶样品，并进行了单晶实验样品的精确定向切割和表征（图1），是本工作实验研究的关键核心材料样品。该材料体系呈现了没有光参与的奇异量子光学真空现象，研究成果以“Ultrastrong magnon–magnon coupling dominated by antiresonant interactions”为题，近日发表于《Nature Communications》期刊上。
图1稀土铁氧化物YFeO3多角度切角单晶实验样品的精确定向切割
量子物质与光的相互作用在量子信息、光谱学等领域发挥着重要作用，是凝聚态物理的重要研究方向。在人们寄予厚望的超强耦合区域，量子物质与光的相互作用将导致很多有趣的物理现象。比如，在具有超强光与量子物质相互作用的腔量子电动力学系统中，理论上预测将出现奇异的量子真空现象。由于哈密顿量中的反共振（anti-resonant）项起重要作用，光与物质杂化体系的基态被认为是能够抑制量子涨落的真空压缩态。此前，这些预测还没有被实验验证。其主要原因在于光和物质相互作用体系中，相比于共振相互作用（resonant interactions），反共振相互作用（anti-resonant interactions）通常可以忽略。
实验中，研究者们巧妙地结合两种实验装置，一个是30特斯拉的脉冲磁体，另一个是太赫兹单发探测装置。通过测量不同切角(θ)高质量YFeO3单晶的自旋共振频率随外加强磁场的变化，系统研究了YFeO3单晶的准铁磁模式（qFM）和准反铁磁模式（qAFM）产生的免交叉行为。通过改变样品的切角可以实现耦合强度的调控。当θ = 58°，磁场为30特斯拉时，实验上得到最大的耦合强度。
理论上，科学家们利用类似于Hopfield哈密顿量描述样品体系。在这个哈密顿量中，共振相互作用和反共振相互作用的相对大小可以调谐，且后者能占据主导地位。理论计算得到的共振频率完美再现了实验结果。研究发现了反共振相互作用的一个重要特征，即真空布洛赫-西格特（Bloch-Siegert）位移（图2），这在很大程度上超过了传统的由共振相互作用产生的频移。该工作中，研究人员从理论上进一步探索了该量子物质系统的基态，计算得到高达5.9 dB的量子涨落抑制。目前的实验与理论结果表明，YFeO3单晶中的磁子-磁子相互作用系统提供了一个理想的研究平台，用以探索超强耦合的光与物质相互作用系统中理论预测的奇异量子真空现象。
图2真空Bloch-Siegert位移的实验与理论证据
本工作得到国家自然科学基金面上项目（No.12074242）的支持。
相关链接：
Nature Communications2021:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-23159-z
Ultrastrong magnon–magnon coupling dominated by antiresonant interactions | Nature Communications
Science 2018:
https://science.sciencemag.org/content/361/6404/794.full