微波腔模与拓扑绝缘体系统的耦合特性及其应用研究

In order to study the interaction of microwave and topological insulator-based systems, discovering the new properties and potential applications of topological insulators，we propose a scheme to realize the coupling of microwave and topological insulator by using microwave cavity. And the Faraday rotation angle and microwave transmission coefficient are used to describe the characteristics of this coupling. First, we have confirmed the feasibility of this scheme based on the topological magnetoelectric effect of the topological insulator. Then we will put forward the theoretical framework for calculating the Faraday angle and transmission coefficient based on the surface Hamiltonian of topological insulator, Kubo formula, Maxwell’s equations, LLG equation and transfer matrix method. This theoretical framework is applied to some special experimental scenes, such as the application of external magnetic field, the doping of magnetic atoms, and the formation of bilayer with YIG. Based on the numerical results, we will summarize the characteristics of the coupling of the microwave and the topological insulators, and reveal the physical mechanism of this coupling. For the Bi2Se3/YIG in the microwave cavity, we will establish a model to calculate the spin pumping voltage. Based on this model, we will discuss the influence of the coupling on the spin pumping voltage in the microwave cavity and reveal the action mechanism. This project is helpful for the new properties and applications of the topological insulator. It also promotes the development of the cavity spintronics and the generation of new spintronic devices.

为了研究微波与拓扑绝缘体系统相互作用的性质，挖掘拓扑绝缘体的新特性和潜在的应用价值，我们提出一个方案：使用微波腔来实现拓扑绝缘体与微波的耦合，并采用法拉第旋转角和微波透射系数描述这种耦合的特点。首先，基于拓扑绝缘体的拓扑磁电效应证实该方案的可行性。然后，结合拓扑绝缘体表面态哈密顿量、久保公式、麦克斯韦方程组、LLG方程和转移矩阵法等理论和方法，提出计算微波腔中拓扑绝缘体系统的法拉第旋转角和微波透射系数的理论方案，并将其应用于施加外磁场、磁性原子掺杂、与YIG构成双层结构等实验场景，分别描述其耦合的特点并揭示其中的物理机制。对微波腔中的Bi2Se3/YIG体系，我们建立计算其中自旋泵浦电压的模型，讨论微波腔中的耦合作用对自旋泵浦电压的影响并揭示作用机制。本课题有助于微波范围内拓扑绝缘体新性质的发现和实际应用的探索，同时也促进了基于微波腔和YIG的腔自旋电子学的发展和新型自旋电子器件的产生。

为了研究微波与拓扑绝缘体相互作用的基本性质，探索拓扑绝缘体潜在的应用价值，本项目首先研究了使用微波腔实现微波与拓扑绝缘体强耦合的可行性。基于包含磁电相的电位移矢量和磁场强度的表达式、麦克斯韦方程组、微波穿过腔壁的传播规律以及转移矩阵方法，我们构建了研究该耦合系统的理论方案。计算结果表明，当一束线偏振的微波入射到该耦合系统时，微波腔模发生了明显的变化。空腔的h模基本保持不变，e模则完全消失，同时产生两个新的腔模。在这两个新的腔模处，从微波腔透射和反射的微波均是圆偏振的，这种现象说明微波与拓扑绝缘体之间原本微弱的相互作用被微波腔大幅增强。本项目还对微波腔-磁振子耦合系统中双稳态的基本性质及调控手段展开了研究。微波腔-磁振子耦合系统中，磁振子暗模的双稳态性质受外磁场和两个YIG小球之间的频率失谐的影响。而由磁振子克尔效应引起的微波腔-磁振子极化激元的双稳态则主要受到微波与磁振子之间的耦合强度的影响。对包含两个YIG小球的微波腔系统，当微波驱动场直接泵浦其中一个YIG小球时，由于该YIG小球中磁振子克尔效应的影响，两个小球之间产生频率差，使两者的干涉相消突然消失，从而导致双稳态的产生；当微波驱动场直接泵浦微波腔时，这种双稳态不会产生。由于磁振子克尔效应和非线性磁振子效应的共同作用，微波腔-磁振子极化激元的双稳态的上下两支极化模表现出不同的性质。下极化模的磁振子频移具有顺时针方向的磁滞回线，同时伴随着稳定的双稳态，而上极化模的磁振子频移则可能具有顺时针、逆时针的磁滞回线或者无磁滞回线，且双稳态会消失。这些研究结果表明微波腔可以实现微波和拓扑绝缘体的强耦合，而微波腔-磁振子耦合系统则具有丰富的物理特性，两种耦合体系在光学、自旋电子学、微波频段的逻辑器件和信息存储等领域有着重要意义，也为进一步利用拓扑绝缘体、YIG和微波腔混合系统探索拓扑绝缘体的潜在应用价值提供了新的思路和理论支持。

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