Microwave photon-magnon coupling in planar geometry for quantum transduction

Abstract

Mikrodalga rejiminde çalışan sistemlerden kuantum bilgisini uyumluluğun (coherence) kaybetmeden uzakta olan diğer kuantum sistemlere aktarmak için optik kanallara ihtiyaç duyulur. Kuantum sistemlerin mikrodalga fotonları ile optik iletişim bandındaki (~ 200 THz) fotonlarla etkileşime girebilen ara sistemler, hibrit kuantum sistemleridir. Bu dönüşümü başarmak için umut verici bir yaklaşım, kolektif spin uyarı (magnon) modlarını kullanan bir magnon tabanlı hibrit kuantum sistemdir. Diğer sistemlere göre geniş dönüşüm bant genişliği, düşük sıcaklıkta çalışma ve yüksek ayarlanabilirlik avantajları, dönüşüm verimini artırmak için bu alanda devam eden araştırmaları teşvik etmektedir. İtriyum demir garnet (YIG) malzemesi, mikrodalga ve optik fotonlarla uyumlu bir şekilde etkileşebilen yüksek spin yoğunluğuna sahip ferrimanyetik bir yalıtkan olduğu için magnon kaynakları için kullanılır. Daha yeni çalışmalar, güçlü foton-magnon eşleşmesi ve mikrofabrikasyon teknikleri kullanılarak üretilebilecekleri için öncelikle düzlemsel geometrilere odaklanmıştır. Bu tezin amacı, düzlemsel yapı çözümleriyle magnon tabanlı kuantum dönüşümün potansiyelini keşfetmektir. Öncelikle düzlemsel mikrodalga rezonatörleri için yeni tasarımlar geliştirmesi, sayısal simülasyonlarla foton-magnon eşleşme gücünü araştırması ve etkinliklerini deneysel olarak kanıtlaması odaklanacaktır. Bu çalışma kapsamında, dielektrik plaka üzerinde hazırlanan ve optik giriş için deliği bulunan bölgeye YIG ince filmi konulan düzlemsel mikrodalga rezonatörlerin geliştirilmesi ve performansının doğrulanması amaçlanmıştır. Rezonatör yapısındaki deliğin varlığı, harici optik rezonatör modları ile magnon modları arasında verimli bir eşleşmeyi kolaylaştırarak optik pompalama ve sinyal ışınlarının mikrodalag rezonatöre dik olarak geçişine imkan vermektedir. Güçlü mikrodalga foton-magnon eşleşmesi, ilk sayısal simülasyonlarla elde edilmiş olup daha sonra aynı sonuçlar oda sıcaklığında deneysel olarak doğrulanmıştır.

Transferring quantum information from systems that work at microwave regimes to other quantum systems that are far apart from each other requires optical channels to minimize the issue of the decoherence effect. The intermediate systems that can interact with microwave photons of quantum systems as well as with photons in the optical communication band (?200 THz) are hybrid quantum systems (HQS). One promising approach for achieving this transduction is through a magnon-based HQS, utilizing the collective spin excitation (magnon) modes. Having the advantages of broad conversion bandwidth, low-temperature operation, and high tunability over other HQSs, encourages ongoing research in this field to improve the efficiency of this conversion process. Yttrium iron garnet (YIG) material is used for magnon sources since it is a ferrimagnetic insulator with a high spin density that can interact coherently with microwave and optical photons. More recent studies have primarily focused on planar geometries of magnon-based hybrid systems, as they offer enhanced photon-magnon coupling, and can be fabricated using well-established microfabrication techniques. The objective of this thesis is to explore the potential of magnon-based quantum transduction with planar structure solutions. The thesis will primarily concentrate on developing new designs for planar microwave resonators, investigating their photon-magnon coupling strength through numerical simulations, and experimentally demonstrating their effectiveness. Within this work, we propose and verify the performance of microwave planar resonators containing a YIG thin film positioned above a through-hole feature. The presence of the hole in the resonator structure enables perpendicular passage of the pumping and signal lights, facilitating efficient coupling between external optical resonator modes and magnon modes. Strong microwave photon-magnon coupling was initially achieved with numerical simulations which later the identical results confirmed experimentally at room temperature.