科技的进步往往是不同学科之间的原理和技术相互交叉的结果,不同学科领域的交叉通常会衍生出新的研究方向。无论是在固态还是原子系统,电磁场与物质之间的相互作用是最基本、最普遍的物理过程之一。近年来,光与物质的相互作用已经成为凝聚态物理研究的核心内容之一,它为新器件的设计与研发提供了理论上的支持和技术上的可行性。这在推动量子信息和自旋电子学技术的发展中最为明显。在量子信息方面,光与物质相互作用提供了一种访问和控制量子态的强大手段。此外,光与物质相互作用对操控自旋-光子系统的深刻见解将有助于自旋电子学技术的发展。基于光与物质相互作用在信息和计算等领域的潜在实用价值,本论文主要研究了微波腔-自旋动力学中的一些科学问题:一方面是微波光子与自旋系综相互作用的非线性效应;另一方面是微波光子辅助自旋输运的非经典效应。本文主要研究内容如下:（1）第一章,回顾了腔量子电动力学的研究历程,从最初的腔光子与原子相互作用发展到后来的腔光子与自旋系综和介观电路系统的相互作用,并对当前的研究现状做了简要的分析和概括。最后介绍了本文所要研究的内容。（2）第二章,主要介绍了本文所用到的理论基础和研究方法。一方面是基于微波腔与自旋系综互作用理论的微波传输谱的计算;另一方面是基于格林函数理论的介观输运性质的计算。此外,本章还简单介绍了几种常见的量子态光场和磁振子的双稳效应。（3）第三章,理论上研究了由微波强驱动引起的磁振子暗模的非线性行为。研究发现磁振子暗模的双稳特性与两个钇铁石榴石（YIG）小球中磁振子频率的失谐量和磁场是密切相关的。当两个YIG小球中磁振子的频率相等时,由于干涉相消而导致磁振子暗模并不能显现出来,所以其双稳特性与只有一个YIG小球的情况是一致的。当两个YIG小球中磁振子的频率不相等时,处于微波腔模处的磁振子暗模虽然显现出来,但是并不会产生双稳态。只有当磁振子暗模偏离微波腔模时才会出现顺时针或逆时针的双稳行为。我们的研究不仅揭示了磁振子暗模在强驱动场下的非线性效应,而且为磁振子暗模在信息存储和自旋电子学中的应用提供了理论依据。（4）第四章,研究了耦合强度对微波腔-磁振子极化激元双稳行为的调控作用。在共振情况下,上、下两支极化模出现双稳态的临界驱动功率会随着耦合强度的增大而减小。对于非常小的耦合强度,下极化模由于急剧减少的磁振子组分而不会产生双稳行为。此外,当耦合强度对YIG小球位置的变化率由正变为负时,上、下两支极化模分别表现出相互排斥和相互吸引的双稳特性。特别是,当驱动功率足够大时,下极化模的双稳行为会消失。我们的研究拓展了微波腔-磁振子混合系统中非线性调控的手段,为腔自旋电子学和信息处理提供了一个潜在的应用。（5）第五章,研究了由磁振子克尔效应引起的双YIG小球微波腔-磁振子混合系统的双稳行为。当微波驱动场直接泵浦YIG1小球并且驱动频率固定在磁振子暗模上时,YIG1小球的克尔效应会导致两个YIG小球之间的干涉相消急剧消失,从而使得磁振子暗模由看不见转变为看得见。然而当微波驱动场直接泵浦微波光子并且驱动频率固定在磁振子暗模上时,无论驱动强度有多大,系统并没有出现任何的变化,磁振子暗模依然由于干涉相消而隐藏起来。这主要是由于磁振子暗模并不包含微波腔模的组分,从而使得激发能不能由微波腔模转移到磁振子暗模上。（6）第六章,通过发展非平衡含时格林函数方法来研究非经典光对介观体系中自旋输运的影响。该理论方法可以很容易地扩展到有相互作用的电子输运体系。利用该方法,我们计算了在非经典光的存在下,旋转磁场产生的自旋电流。研究发现,自旋电流对非经典光的状态十分敏感。在一定条件下,透射系数和自旋电流可以小于经典极限,这是纯经典微波场所不能打破的。本文的研究方法和结果对于理解自旋电子学和电路量子电动力学混合场中的复杂物理现象具有重要意义。（7）第七章,对本文的研究内容进行了总结和展望。