中國科學技術大學郭光燦院士團隊在磁光力混合系統研究方面取得新進展。該團隊的董春華教授研究組將光力微腔與磁振子微腔直接接觸，證明該混合系統支持磁子-聲子-光子的相干耦合，進而實現了可調諧的微波-光波轉換。該研究成果于2022年12月9日發表在國際學術期刊《Physics Review Letters》。

不同的量子系統適合不同的量子操作，包括原子和固態系統，如稀土摻雜晶體、超導電路、釔鐵石榴石（YIG）或金剛石中的自旋。通過將聲子作為中間媒介，可以實現對不同量子系統的耦合調控，最終構建能發揮不同量子系統優勢的混合量子網絡。目前，光輻射壓力、靜電力、磁致伸縮效應、壓電效應已被廣發用于機械振子與光學光子、微波光子或磁子的耦合。這些相互作用機制促進了光機械領域和磁機械領域的快速發展。在前期工作中，研究組利用YIG微腔中的磁振子具有良好的可調諧特性，結合磁光效應實現了可調諧的單邊帶微波-光波轉換(Photonics Research 10, 820 (2022))。但是由于目前磁光晶體微腔的模式體積大、品質因子難以進一步突破，從而限制了磁光相互作用強度，導致微波-光波轉換效率較低。相比之下，腔光力系統雖已實現高效的微波-光波轉換，但由于缺乏可調諧性，在實際應用中會受到限制。

圖注：a-b.磁光力混合系統示意圖，支持磁子-聲子-光子相干耦合；c.微波-光波轉換。

該工作中，研究組開發了一種由光力微腔和磁振子微腔組成的混合系統。系統中可以通過磁致伸縮效應對聲子進行電學操控，也可以通過光輻射壓力對聲子進行光學操控，而且不同微腔內的聲子可以通過微腔的直接接觸實現相干耦合。基于高品質光學模式對機械狀態的靈敏測量，課題組實現了調諧范圍高達3GHz的微波-光學轉換，轉換效率遠高于以往的磁光單一系統。此外，研究組觀測了機械運動的干涉效應，其中光學驅動的機械運動可以被微波驅動的相干機械運動抵消。總體而言，該磁光力系統提供了一種有效進行操控光、聲、電、磁的混合實驗平臺，有望在構建混合量子網絡中發揮重要作用。

沈鎮、徐冠庭、張勱為該論文的共同第一作者，董春華為該論文的通訊作者。上述研究得到了科技部重點研發計劃、中國科學院、國家自然科學基金委、量子信息與量子科技前沿協同創新中心等單位的支持。