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The classical problem of coupled harmonic oscillators discloses intriguing aspects that have
been investigated in a wide range of experimental conditions, ranging from macroscopic
systems down to the limit of quantum electrodynamics, where the interaction between
isolated two-level quantum systems and single photons takes place. In this field of research,
one of present-day objectives is to push the coupling between light and matter states to the
highest achievable values, aiming at exploring new physics and possibly disclosing novel
physical phenomena.
In this thesis, I focus on experiments involving spin wave excitations in a ferrimagnetic
Yttrium Iron Garnet (YIG) film and microwave photons in a superconducting coplanar
waveguide resonator. The ultrastrong coupling between spin and photon modes is
experimentally demonstrated and quantified on the basis of existent physical models.
The superconducting coplanar waveguide resonator is designed to exhibit quasi-TEM
transmission with fundamental mode at 0.9 GHz. It is fabricated from a YBa2Cu3O7 (YBCO)
superconducting film deposited on a 10x10x0.43 mm3 sapphire substrate through
photolithography and reactive ion etching processes. Test measurements by means of a
Vector Network Analyser (VNA) allowed the characterisation of low temperature scattering
parameters - vs – frequency spectra in the 0.5 to 10 GHz range and with applied magnetic
field up to 1 T. A 3D model of the resonator was also built to perform finite element
simulations, aimed at better understanding the resonator response as a function of
frequency and the spatial distribution of the resonant electromagnetic fields.
Ultrastrong coupling experiments were carried out by placing the YIG film in the magnetic
antinode of the resonator. Transmission spectral maps were obtained by sweeping the input
frequency and the static magnetic field. Large anticrossings between resonator and spin
wave modes with splittings exceeding 1 GHz are clearly observed at the resonance fields.
These results were fitted by the Input-Output formula obtained from the Tavis-Cummings
model of the coupled spin-cavity system. The extracted values of the collective coupling
strength resulted, in particular conditions, larger than one tenth of the natural frequency of the
noninteracting spin wave and resonator modes, thus demonstrating the achievement of the
ultrastrong coupling regime. The applicability of the models beyond the Rotating Wave
Approximation (RWA) is also discussed.

Il classico problema dell’accoppiamento di oscillatori armonici rivela stimolanti aspetti che sono stati studiati in un ampio numero di condizioni sperimentali, che vanno dai sistemi macroscopici fino ai limiti dell’elettrodinamica quantistica, dove avviene l’interazione tra sistemi quantistici a due livelli isolati e singoli fotoni. In questo campo di ricerca, uno degli obiettvi di oggi è quello di spingere l’accoppiamento tra stati di luce e materia ai più elevati valori raggiungibili, per esplorare nuova fisica e possibilmente svelare nuovi fenomeni fisici. In questa tesi, mi concentro su esperimenti concernenti onde di spin in film ferromagnetico di Yttrium Iron Garnet (YIG) e fotoni nelle microonde in un risonatore a guida d’onda coplanare superconduttivo. L’accoppiamento ultra strong tra moti di spin e di fotoni è sperimentalmente dimostrato e quantificato sulla base di esistenti modelli fisici. Il risonatore coplanare a guida d’onda superconduttivo è progettato per esibire una trasmissione quasi-TEM con modo fondamentale a 0.9 GHz. È fabbricato da un film superconduttivo di YBa2Cu3O7 (YBCO) depositato su un substrato 10x10x0.43 mm3 di zaffiro tramite fotolitografia e reactive ion etching. Misurazioni attraverso un Vector Network Analyzer (VNA) hanno permesso la caratterizzazione alle basse temperature dei parametri di scattering in un intervallo di frequenze da 0.5 a 10 GHz e campo magnetico fino a 1 T. Un modello 3D del risonatore è stato costruito per compiere simulazioni agli elementi finiti, diretti a capire meglio la risposta in frequenza del risonatore e la distribuzione spaziale dei campi eletrromagnetici in risonanza. Gli esperimenti di accoppiamento ultrastrong sono stati eseguiti posizionando il film di YIG nell’antinodo magnetico del risonatore. Mappe spettrali della trasmissione sono state ottenute variando la frequenza del segnale entrante e il campo magnetico statico. Grandi fenomeni di anticrossing tra modi del risonatore e modi di onde di spin con separazioni superiori a 1 GHz sono osservati chiaramente in risonanza. Questi risultati sono stati fittati attraverso la formula Input-Output ottenuta dal modello di Tavis-Cummings per il sistema spin-cavità. I valori ottenuti per la costante di accoppiamento collettivo sono risultati, in particolari condizioni, superiori ad un decimo della frequenza naturale dell’onda di spin non interagente e dei modi del risonatore, dimostrando pertanto il raggiungimento del regime di accopiamento ultra strong. Inoltre, è discussa l’applicabilità di modelli più sviluppati della Rotating Wave Approximation (RWA).