The hybrid system consisting of microwave photons and ferromagnetic magnons has been studied in the context of quantum sensing and quantum manipulation of magnons. We demonstrate a strong coupling between magnons and photons in a dielectric resonator with a large dielectric constant and high quality factor. The coupling rate between magnons and photons amounts to MHz, and the corresponding cooperativity reaches at cryogenic temperature. The high cooperativity is mainly due to the small internal decay rate of the resonator, which is advantageous for various quantum magnonics experiments.
REFERENCES
1.
R. J.
Thompson
, G.
Rempe
, and H. J.
Kimble
, Phys. Rev. Lett.
68
, 1132
(1992
). 2.
S.
Haroche
, Rev. Mod. Phys.
85
, 1083
(2013
). 3.
A.
Blais
, A. L.
Grimsmo
, S. M.
Girvin
, and A.
Wallraff
, Rev. Mod. Phys.
93
, 025005
(2021
). 4.
P.
Lodahl
, S.
Mahmoodian
, S.
Stobbe
, A.
Rauschenbeutel
, P.
Schneeweiss
, J.
Volz
, H.
Pichler
, and P.
Zoller
, Nature
541
, 473
(2017
). 5.
Y.
Kubo
, F. R.
Ong
, P.
Bertet
, D.
Vion
, V.
Jacques
, D.
Zheng
, A.
Dréau
, J.-F.
Roch
, A.
Auffeves
, F.
Jelezko
, J.
Wrachtrup
, M. F.
Barthe
, P.
Bergonzo
, and D.
Esteve
, Phys. Rev. Lett.
105
, 140502
(2010
). 6.
D. I.
Schuster
, A. P.
Sears
, E.
Ginossar
, L.
DiCarlo
, L.
Frunzio
, J. J. L.
Morton
, H.
Wu
, G. A. D.
Briggs
, B. B.
Buckley
, D. D.
Awschalom
, and R. J.
Schoelkopf
, Phys. Rev. Lett.
105
, 140501
(2010
). 7.
H.
Huebl
, C. W.
Zollitsch
, J.
Lotze
, F.
Hocke
, M.
Greifenstein
, A.
Marx
, R.
Gross
, and S. T. B.
Goennenwein
, Phys. Rev. Lett.
111
, 127003
(2013
). 8.
Y.
Tabuchi
, S.
Ishino
, T.
Ishikawa
, R.
Yamazaki
, K.
Usami
, and Y.
Nakamura
, Phys. Rev. Lett.
113
, 083603
(2014
). 9.
X.
Zhang
, C.-L.
Zou
, L.
Jiang
, and H. X.
Tang
, Phys. Rev. Lett.
113
, 156401
(2014
). 10.
Y.
Tabuchi
, S.
Ishino
, A.
Noguchi
, T.
Ishikawa
, R.
Yamazaki
, K.
Usami
, and Y.
Nakamura
, Science
349
, 405
(2015
). 11.
D.
Lachance-Quirion
, Y.
Tabuchi
, S.
Ishino
, A.
Noguchi
, T.
Ishikawa
, R.
Yamazaki
, and Y.
Nakamura
, Sci. Adv.
3
, e1603150
(2017
). 12.
D.
Lachance-Quirion
, Y.
Tabuchi
, A.
Gloppe
, K.
Usami
, and Y.
Nakamura
, Appl. Phys. Express
12
, 070101
(2019
). 13.
Y.
Li
, W.
Zhang
, V.
Tyberkevych
, W.-K.
Kwok
, A.
Hoffmann
, and V.
Novosad
, J. Appl. Phys.
128
, 130902
(2020
). 14.
H. Y.
Yuan
, Y.
Cao
, A.
Kamra
, R. A.
Duine
, and P.
Yan
, Phys. Rep.
965
, 1
(2022
). 15.
B.
Zare Rameshti
, S.
Viola Kusminskiy
, J. A.
Haigh
, K.
Usami
, D.
Lachance-Quirion
, Y.
Nakamura
, C.-M.
Hu
, H. X.
Tang
, G. E. W.
Bauer
, and Y. M.
Blanter
, Phys. Rep.
979
, 1
(2022
). 16.
S.
Zheng
, Z.
Wang
, Y.
Wang
, F.
Sun
, Q.
He
, P.
Yan
, and H. Y.
Yuan
, “Tutorial: Nonlinear magnonics,” arXiv:2303.16313 [cond-mat.mes-hall] (2023).17.
D.
Lachance-Quirion
, S. P.
Wolski
, Y.
Tabuchi
, S.
Kono
, K.
Usami
, and Y.
Nakamura
, Science
367
, 425
(2020
). 18.
S. P.
Wolski
, D.
Lachance-Quirion
, Y.
Tabuchi
, S.
Kono
, A.
Noguchi
, K.
Usami
, and Y.
Nakamura
, Phys. Rev. Lett.
125
, 117701
(2020
). 19.
D.
Xu
, X.-K.
Gu
, H.-K.
Li
, Y.-C.
Weng
, Y.-P.
Wang
, J.
Li
, H.
Wang
, S.-Y.
Zhu
, and J. Q.
You
, Phys. Rev. Lett.
130
, 193603
(2023
). 20.
J. C.
Owens
, M. G.
Panetta
, B.
Saxberg
, G.
Roberts
, S.
Chakram
, R.
Ma
, A.
Vrajitoarea
, J.
Simon
, and D. I.
Schuster
, Nat. Phys.
18
, 1048
(2022
). 21.
M.
Goryachev
, W. G.
Farr
, D. L.
Creedon
, Y.
Fan
, M.
Kostylev
, and M. E.
Tobar
, Phys. Rev. Appl.
2
, 054002
(2014
). 22.
G.
Flower
, M.
Goryachev
, J.
Bourhill
, and M. E.
Tobar
, New J. Phys.
21
, 095004
(2019
). 23.
R. G. E.
Morris
, A. F.
van Loo
, S.
Kosen
, and A. D.
Karenowska
, Sci. Rep.
7
, 11511
(2017
). 24.
J. T.
Hou
and L.
Liu
, Phys. Rev. Lett.
123
, 107702
(2019
). 25.
Y.
Li
, T.
Polakovic
, Y.-L.
Wang
, J.
Xu
, S.
Lendinez
, Z.
Zhang
, J.
Ding
, T.
Khaire
, H.
Saglam
, R.
Divan
, J.
Pearson
, W.-K.
Kwok
, Z.
Xiao
, V.
Novosad
, A.
Hoffmann
, and W.
Zhang
, Phys. Rev. Lett.
123
, 107701
(2019
). 26.
S.
Mandal
, L. N.
Kapoor
, S.
Ghosh
, J.
Jesudasan
, S.
Manni
, A.
Thamizhavel
, P.
Raychaudhuri
, V.
Singh
, and M. M.
Deshmukh
, Appl. Phys. Lett.
117
, 263101
(2020
). 27.
Y.
Li
, V. G.
Yefremenko
, M.
Lisovenko
, C.
Trevillian
, T.
Polakovic
, T. W.
Cecil
, P. S.
Barry
, J.
Pearson
, R.
Divan
, V.
Tyberkevych
, C. L.
Chang
, U.
Welp
, W.-K.
Kwok
, and V.
Novosad
, Phys. Rev. Lett.
128
, 047701
(2022
). 28.
L.
McKenzie-Sell
, J.
Xie
, C.-M.
Lee
, J. W. A.
Robinson
, C.
Ciccarelli
, and J. A.
Haigh
, Phys. Rev. B Condens. Matter
99
, 140414
(2019
). 29.
C. W.
Zollitsch
, S.
Khan
, V. T. T.
Nam
, I. A.
Verzhbitskiy
, D.
Sagkovits
, J.
O’Sullivan
, O. W.
Kennedy
, M.
Strungaru
, E. J. G.
Santos
, J. J. L.
Morton
, G.
Eda
, and H.
Kurebayashi
, “Probing spin dynamics of ultra-thin van der Waals magnets via photon-magnon coupling,” arXiv:2206.02460 [cond-mat.mtrl-sci] (2022).30.
A. A.
Houck
, D. I.
Schuster
, J. M.
Gambetta
, J. A.
Schreier
, B. R.
Johnson
, J. M.
Chow
, L.
Frunzio
, J.
Majer
, M. H.
Devoret
, S. M.
Girvin
, and R. J.
Schoelkopf
, Nature
449
, 328
(2007
). 31.
M.
Hofheinz
, E. M.
Weig
, M.
Ansmann
, R. C.
Bialczak
, E.
Lucero
, M.
Neeley
, A. D.
O’Connell
, H.
Wang
, J. M.
Martinis
, and A. N.
Cleland
, Nature
454
, 310
(2008
). 32.
Y.
Chu
, P.
Kharel
, T.
Yoon
, L.
Frunzio
, P. T.
Rakich
, and R. J.
Schoelkopf
, Nature
563
, 666
(2018
). 33.
K. J.
Satzinger
, Y. P.
Zhong
, H.-S.
Chang
, G. A.
Peairs
, A.
Bienfait
, M.-H.
Chou
, A. Y.
Cleland
, C. R.
Conner
, É.
Dumur
, J.
Grebel
, I.
Gutierrez
, B. H.
November
, R. G.
Povey
, S. J.
Whiteley
, D. D.
Awschalom
, D. I.
Schuster
, and A. N.
Cleland
, Nature
563
, 661
(2018
). 34.
E.
Abe
, H.
Wu
, A.
Ardavan
, and J. J. L.
Morton
, Appl. Phys. Lett.
98
, 251108
(2011
). 35.
M.
Oxborrow
, J. D.
Breeze
, and N. M.
Alford
, Nature
488
, 353
(2012
). 36.
H.
Wu
, S.
Mirkhanov
, W.
Ng
, and M.
Oxborrow
, Phys. Rev. Lett.
127
, 053604
(2021
). 37.
J.
Xu
, C.
Zhong
, X.
Han
, D.
Jin
, L.
Jiang
, and X.
Zhang
, Phys. Rev. Lett.
126
, 207202
(2021
). 38.
M. E.
Tobar
, J.
Krupka
, E. N.
Ivanov
, and R. A.
Woode
, J. Appl. Phys.
83
, 1604
(1998
). 39.
V. B.
Braginsky
, V. P.
Mitrofanov
, and V. I.
Panov
, Systems with Small Dissipation
(University of Chicago Press
, 1985
).40.
V. L.
Gurevich
and A. K.
Tagantsev
, Adv. Phys.
40
, 719
(1991
). 41.
42.
N. M.
Alford
, J.
Breeze
, X.
Wang
, S. J.
Penn
, S.
Dalla
, S. J.
Webb
, N.
Ljepojevic
, and X.
Aupi
, J. Eur. Ceram. Soc.
21
, 2605
(2001
). 43.
N.
Klein
, C.
Zuccaro
, U.
Dähne
, H.
Schulz
, N.
Tellmann
, R.
Kutzner
, A. G.
Zaitsev
, and R.
Wördenweber
, J. Appl. Phys.
78
, 6683
(1995
). 44.
R. C.
Taber
and C. A.
Flory
, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control
42
, 111
(1995
). 45.
V. B.
Braginsky
, V. S.
Ilchenko
, and K. S.
Bagdassarov
, Phys. Lett. A
120
, 300
(1987
). 46.
K.
Hashimoto
, K.
Cho
, T.
Shibauchi
, S.
Kasahara
, Y.
Mizukami
, R.
Katsumata
, Y.
Tsuruhara
, T.
Terashima
, H.
Ikeda
, M. A.
Tanatar
, H.
Kitano
, N.
Salovich
, R. W.
Giannetta
, P.
Walmsley
, A.
Carrington
, R.
Prozorov
, and Y.
Matsuda
, Science
336
, 1554
(2012
). 47.
D.
Zhang
, X.-M.
Wang
, T.-F.
Li
, X.-Q.
Luo
, W.
Wu
, F.
Nori
, and J. Q.
You
, Npj Quantum Inf.
1
, 15014
(2015
). 48.
N.
Kostylev
, M.
Goryachev
, and M. E.
Tobar
, Appl. Phys. Lett.
108
, 062402
(2016
). 49.
J.
Bourhill
, N.
Kostylev
, M.
Goryachev
, D. L.
Creedon
, and M. E.
Tobar
, Phys. Rev. B Condens. Matter
93
, 144420
(2016
). © 2023 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2023
Author(s)
You do not currently have access to this content.
