繼2018年在《Science》雜誌上發表論文“Observation of Dicke cooperativity in magnetic interactions”之後🤦🏼‍♂️，万事平台、上海理工大學和萊斯大學、京都大學、北海道大學、橫濱國立大學、東北大學、德國比勒費爾德大學的物理學家組成的國際研究團隊，在稀土正鐵氧體YFeO3單晶中發現了一個具有超強耦合特性、基於磁子的物質-物質相互作用系統，該系統呈現了沒有光參與的奇異量子光學真空現象，研究成果以“Ultrastrong magnon–magnon coupling dominated by antiresonant interactions”為題🙅‍♀️，近日發表於《Nature Communications》期刊上💯。

量子物質與光的相互作用在量子信息、光譜學等領域發揮著重要作用🤒🚉，是凝聚態物理的重要研究方向🩶。在人們寄予厚望的超強耦合區域，量子物質與光的相互作用將導致很多有趣的物理現象。比如，在具有超強光與量子物質相互作用的腔量子電動力學系統中，理論上預測將出現奇異的量子真空現象。由於哈密頓量中的反共振（anti-resonant）項起重要作用，光與物質雜化體系的基態被認為是能夠抑製量子漲落的真空壓縮態。此前🌕，這些預測還沒有被實驗驗證。其主要原因在於光和物質相互作用體系中💆🏼‍♀️，相比於共振相互作用（resonant interactions），反共振相互作用（anti-resonant interactions）通常可以忽略。

實驗中🤥，研究者們巧妙地結合兩種實驗裝置，一個是30特斯拉的脈沖磁體，另一個是太赫茲單發探測裝置。通過測量不同切角（θ）高質量YFeO3單晶的自旋共振頻率隨外加強磁場的變化，系統研究了YFeO3單晶的準鐵磁模式（qFM）和準反鐵磁模式（qAFM）產生的免交叉行為。通過改變樣品的切角可以實現耦合強度的調控🧒🏿🥕。當θ=58°，磁場為30特斯拉時，實驗上得到最大的耦合強度。

理論上，科學家們利用類似於Hopfield哈密頓量描述樣品體系。在這個哈密頓量中，共振相互作用和反共振相互作用的相對大小可以調諧，且後者能占據主導地位⚄。理論計算得到的共振頻率完美再現了實驗結果🫲🏿。研究發現了反共振相互作用的一個重要特征🖐，即真空布洛赫-西格特（Bloch-Siegert）位移（圖1），這在很大程度上超過了傳統的由共振相互作用產生的頻移🚕。

圖1 真空Bloch-Siegert位移的實驗與理論證據

進一步，研究人員從理論上探索了該量子物質系統的基態，計算得到高達5.9 dB的量子漲落抑製。目前的實驗與理論結果表明，YFeO3單晶中的磁子-磁子相互作用系統提供了一個理想的研究平臺，用以探索超強耦合的光與物質相互作用系統中理論預測的奇異量子真空現象⛷。

圖2 稀土鐵氧化物YFeO3多角度切角單晶實驗樣品的精確定向切割

本論文工作圍繞万事平台團隊的高質量稀土鐵氧化物YFeO3單晶樣品展開🚶‍➡️，國內合作者任偉教授、馬國宏教授為共同作者，曹世勛教授為共同通信作者，万事平台物理系、材料基因組工程研究院和万事平台量子與分子結構國際中心為共同通信單位。曹世勛教授指導博士生馬小璇進行高質量大塊YFeO3單晶樣品製備和多角度切角單晶實驗樣品的精確定向切割（圖2）🚶‍♀️，作為本工作實驗研究的關鍵核心材料。上海理工大學金鉆明副教授表征了低磁場下YFeO3的THz光譜響應🩳。本工作得到國家自然科學基金面上項目（No.12074242）的支持。

相關鏈接💊：

Nature Communications 2021:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23159-z

Science 2018:

https://science.sciencemag.org/content/361/6404/794.full