近日，物理评论B在线刊发了华中科技大学于涛教授课题组与I. V. Bobkova课题组合作完成的20页长篇研究论文“Ultrastrong magnon-photon coupling in superconductor/antiferromagnet/ superconductor heterostructures at terahertz frequencies”。该论文第一作者为俄罗斯莫斯科物理技术学院V.M. Gordeeva与课题组类延盟，课题组叶茜茵为论文共同作者，于涛教授与俄罗斯莫斯科物理技术学院I. V. Bobkova为共同通讯作者，华中科技大学物理学院为论文共同通讯单位。
在量子磁子学领域，实现磁子与光子之间的强相干耦合是构建混合量子平台、磁子存储系统以及微波-光学量子换能器的关键。然而，反铁磁体的磁子共振频率通常位于太赫兹波段，而能够支持太赫兹光子的谐振腔极为稀缺，这使得在太赫兹频率下实现强耦合乃至超强耦合成为一项挑战。研究团队提出并理论验证了一种全新的解决方案：在超导/反铁磁/超导(S/AF/S)异质结构中实现太赫兹频率下的超强磁子-光子耦合，如图1所示。
图1 超导/反铁磁/超导系统的示意图。两个子晶格的平衡磁化强度沿z轴方向。波矢为k的磁子可以以相对于 M1s 的角度 θ 传播。
研究团队从量子和经典两种视角出发，揭示了一个独特的物理现象：磁场对耦合选择性的可调控制。在零磁场下，反铁磁的两个共振模式中只有一个与Swihart光子模式耦合，形成磁子-极化子；而另一个模式不参与耦合。当施加外磁场时，两个模式都能与Swihart光子模式耦合，如图2所示。磁子与光子之间的耦合常数约为100 GHz，超过反铁磁共振频率的10%，属于超强耦合。
图2：S/AF/S异质结构中的磁子-极化子。(a) Swihart光子在超导谐振腔中传播时的磁场分布图。(b) 零磁场和强外加磁场 H0 = H0ez下，反铁磁磁子本征模的磁化进动示意图。(c) S/AF/S异质结构中杂化本征激发的色散关系：左图为无相互作用情况，右图为相互作用情况。
混合形成的磁子-极化子准粒子展现出两个引人注目的特性。首先，它们携带非整数的平均自旋⟨Sz⟩ < ħ，该自旋可通过外磁场和波矢k进行调控。另外，中间分支的磁子-极化子在改变波矢时会发生自旋符号的翻转，如图2所示，这是通过Swihart模式介导的避免交叉的直接结果。其次，在强混合区域，磁子-极化子的群速度可达到光速的约四分之一，远超典型磁子的群速度，预示着超导调控反铁磁中超快磁子输运的广阔前景。