腔磁子學(xué)是近年來(lái)快速發(fā)展的前沿交叉領(lǐng)域，它利用光子與磁性材料中自旋激發(fā)（磁子）之間的強(qiáng)耦合，為操控量子態(tài)、探究非線(xiàn)性現(xiàn)象及構(gòu)建混合量子系統(tǒng)提供了理想平臺(tái)。其中，具有顯著非線(xiàn)性效應(yīng)的克爾磁子（如釔鐵石榴石YIG球體中的磁子）尤為引人注目，可用于研究雙穩(wěn)態(tài)、糾纏增強(qiáng)等一系列新奇物理效應(yīng)。然而，在量子信息處理和集成微波光子學(xué)中，非互易器件（如隔離器、環(huán)行器）至關(guān)重要，它們能保證信號(hào)單向傳輸，防止反射干擾。如何基于磁子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一種參數(shù)高度可調(diào)、工作條件寬松的非互易器件，一直是該領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

為解決上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種耦合非線(xiàn)性腔磁子體系，通過(guò)調(diào)節(jié)多種系統(tǒng)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高度可調(diào)的磁子非互易性。

該系統(tǒng)由一個(gè)嵌入二階非線(xiàn)性元件的腔體與另一個(gè)容納釔鐵石榴石（YIG）球體的腔體耦合而成，該YIG球體支持克爾磁子（即具有克爾非線(xiàn)性效應(yīng)的磁子）。我們首先在無(wú)磁子驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的情況下，解析推導(dǎo)了系統(tǒng)在互易性與非互易性之間切換的臨界條件。具體而言，當(dāng)滿(mǎn)足該條件時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)出磁子互易性；而打破該條件則導(dǎo)致磁子非互易性。這源于克爾非線(xiàn)性效應(yīng)實(shí)質(zhì)上違反了洛倫茲互易定理。隨后，我們通過(guò)數(shù)值模擬證明，通過(guò)調(diào)節(jié)光子-光子耦合強(qiáng)度、非線(xiàn)性元件系數(shù)或兩者同時(shí)調(diào)控，均可實(shí)現(xiàn)高度可調(diào)諧的強(qiáng)磁子非互易性。

最后，我們表明即使在不破壞臨界條件的情況下，外部磁子驅(qū)動(dòng)場(chǎng)也能通過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的精細(xì)調(diào)控誘導(dǎo)出強(qiáng)磁子非互易性。

與先前研究相比，我們的結(jié)果表明：所引入的非線(xiàn)性元件不僅能在弱耦合與強(qiáng)耦合區(qū)間內(nèi)放寬臨界條件，還為操控和實(shí)現(xiàn)磁子非互易性提供了新途徑。因此，本研究為實(shí)現(xiàn)基于克爾磁子的非互易器件提供了一個(gè)高度可控的平臺(tái)，有望在非線(xiàn)性腔磁子學(xué)中獲得廣泛應(yīng)用。

該工作于2025年12月16日在線(xiàn)發(fā)表于中科院一區(qū)TOP期刊《Chaos, Solitons and Fractals》上，數(shù)理學(xué)院熊偉博士為第一作者，陳姣姣博士為通訊作者，研究生龔媛、李轉(zhuǎn)霞、本科生吳英霞、程艷雪參與了該工作。本工作得到了浙江省自然科學(xué)基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（尖兵領(lǐng)雁）、以及國(guó)際量子研究院開(kāi)放課題資助。

論文細(xì)節(jié)請(qǐng)見(jiàn) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960077925017916?dgcid=author