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课题组：磁振子凝聚态

        最近，天津大学理学院量子交叉研究中心的柳天宇副教授带领课题组研究生李亮，完成了题为“Bose-Einstein condensation of magnons under coherent pumping by light”的研究工作。他们提出了一种在室温下形成磁子玻色-爱因斯坦凝聚的新方法，为全光控制的自旋波自旋电子学及其在室温量子计算和量子通信领域的应用开辟了新路径。该研究成果于近日发表在国际著名物理期刊《Physical Review B》[1]，并被评选为当期的编辑推荐文章，此项荣誉仅授予每期综合排名前5%的文章。柳天宇副教授为该工作的唯一通讯作者，天津大学为唯一完成单位。 

研究背景 

        玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate，BEC），是一种量子物态，其中大量玻色子（如原子）在极低温度下占据相同的量子态，表现出宏观量子现象。BEC有多种潜在的应用方式，比如用来实现多量子比特的纠缠[2]，开展多比特量子逻辑运算[3,4]，传递量子纠缠态[5]，实现量子精密测量[6]，模拟黑洞和引力波[7]等。磁子（magnon）作为一类玻色准粒子，其在特定条件下可以形成类似原子BEC的现象，即mBEC。这种凝聚态在钇铁石榴石（YIG）薄膜中尤其受到关注，因为它在室温下即可实现。然而，传统的mBEC形成方法依赖于微波辐射[8]，限制了其在光学领域的应用。        

研究内容 

        在这项研究中，柳天宇副教授团队提出了一种创新的方法，利用光学腔中的相干泵浦激发YIG波导中的磁子，实现mBEC。考虑到单组分磁子间的吸引相互作用可能导致mBEC塌缩，研究团队首先通过泵浦双组份磁子来稳定mBEC，并基于光磁耦合和三、四磁子相互作用建立了理论模型。分析了直接泵浦（图1(a)）和间接泵浦（图1(b)）两种策略后，结合实验参数，排除了间接泵浦的可行性。随后，研究团队进一步分析了泵浦磁子通过级联过程（图1(c)）和动力学不稳定性（KI）过程（图1(d)）形成mBEC的途径。最终结果表明，通过直接泵浦，且所需激光功率小于1瓦特，即可在光学腔中实现室温mBEC。

图 1 光腔中mBEC的形成过程。（a）直接泵浦；（b）间接泵浦；（c）级联过程；(d）动力学不稳定性（KI）过程

研究意义 

        这项研究为磁子凝聚态的实现提供了一种全新的光学方法，这不仅能够扩展mBEC的应用范围，还可能推动光磁子学与精密测量和量子信息科学的交叉发展。通过激光泵浦实现的mBEC将为研究量子相干性、量子纠缠以及开发新型量子器件提供新的平台。此外，这项工作还为未来在室温下实现和操控量子态提供了新的思路和实验方案。

参考文献

1. Li L, Liu T. Bose-Einstein condensation of magnons under coherent pumping by light[J]. Physical Review B, American Physical Society, 2024, 109(18): 184447.
2. Vinit A, Bookjans E M, Sá De Melo C A R, et al. Antiferromagnetic Spatial Ordering in a Quenched One-Dimensional Spinor Gas[J]. Physical Review Letters, 2013, 110(16): 165301.
3. Byrnes T, Wen K, Yamamoto Y. Macroscopic quantum computation using Bose-Einstein condensates[J]. Physical Review A, 2012, 85(4): 040306. 
4. Andrianov S N, Moiseev S A. Magnon qubit and quantum computing on magnon Bose-Einstein condensates[J]. Physical Review A, 2014, 90(4): 042303. 
5. Ghasemian E. Dissipative quantum computation and quantum state preparation based on BEC qubits[J]. Journal of the Optical Society of America B, 2023, 40(2): 247. 
6. Motazedifard A, Dalafi A, Naderi M H. Ultraprecision quantum sensing and measurement based on nonlinear hybrid optomechanical systems containing ultracold atoms or atomic Bose–Einstein condensate[J]. AVS Quantum Science, 2021, 3(2): 024701. 
7. Sonin E B. Superfluid spin transport in magnetically ordered solids (Review article)[J]. Low Temperature Physics, 2020, 46(5): 436–447. 
8. Demokritov S O, Demidov V E, Dzyapko O, et al. Bose-Einstein condensation of quasi-equilibrium magnons at room temperature under pumping[J]. Nature, 2006, 443(7110): 430–433.