中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室陸衛與陳效雙研究員課題組通過與加拿大曼尼托巴大學胡燦明教授課題組合作，在腔-磁子極化激元動力學研究中，首次實現了反饋微波光子數對腔-磁子極化激元耦合強度的調節，研究結果有望成為量子信息操控領域中光子-自旋相干調控的新途徑。

研究成果以”Cooperative polariton dynamics in feedback-coupled cavities” 為題，在線發表在《自然通訊》上。中國科學院上海技術物理研究所陸衛研究員和加拿大曼尼托巴大學胡燦明教授為通訊作者，姚碧霂博士為論文第一作者。本項目得到了國家自然科學基金委--海外及港澳學者合作研究基金的資助。

1925年烏倫貝克和古茲密特發現了電子自旋，然而電子的自旋特性一直是人們希望像電子電荷特性那樣在信息技術中發揮巨大的作用。 所以對于電子自旋的調控已經成為當前量子調控領域重要方向，尤其是實現光與自旋集體激發模式的強耦合相互作用是量子調控領域的重要目標之一。集體自旋的激發可形成磁子，并且可避免傳輸中的歐姆損失，提高信息傳送效率。光子-磁子的強耦合體系會產生獨特的準粒子“腔-磁子極化激元”，可理解為實現了50%的光子態和50%的自旋態的混合疊加；這種準粒子“腔-磁子極化激元”因為能夠在分立體系中有效地傳遞相干信息，被認為是未來量子領域發展中有潛力的方向。使得在常規材料中難以觀測到的量子疊加態，現如今有期望可以通過光子-磁子的強耦合體系得以很好地實現，并有希望在室溫下的毫米尺寸的器件上得到突破，實現量子信息的傳遞。

耦合強度決定了光子-自旋兩個分立體系之間的信息傳遞效率。對耦合強度的調控，是光子-自旋相互作用走向強耦合腔-磁子極化激元應用的關鍵學術點。領域內存在的難點是：和單自旋激發的體系不同，少光子條件下腔-磁子極化激元動力學過程受到經典電磁諧振規律的限制，即存在耦合強度無法通過光子數進行調節的難題，這限制了腔-磁子極化激元的實際應用。

圖 (a) 電調諧反饋增益腔模中的“腔-磁子極化激元”體系示意圖；(b) 基于電調諧方法，實現了反饋光子數對耦合強度的連續調控，以此突破了腔-磁子極化激元體系的經典電磁諧振限制

課題組創新性地利用電調諧反饋型諧振結構來耦合磁子模式，構筑了高協同率的光子-磁子強耦合單元，打破了上述經典電磁諧振規律的限制。進一步基于直流電調諧的方法，首次在少光子-自旋集體激發的耦合體系中實現了利用反饋光子數目對耦合強度的連續調控，并同時觀察到了不同于常規雙耦合態譜線的多耦合態特征譜線(cavity magnon triplet和cavity magnon quintuplet)。該工作揭示了光子-自旋強耦合相互作用單元的構筑新機理，預期將給光子-自旋相干調控、自旋流操控和量子信息處理技術的應用帶來革新性的調控方法。