751
Дослідники з Національної лабораторії Аргонн Міністерства енергетики США та Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн вперше продемонстрували гібридну схему, у якій спінові хвилі в магнітному матеріалі ефективно з’єднані з надпровідним електричним колом. Результати, опубліковані в журналі Physical Review Letters, можуть стати основою для створення компактних односпрямованих мікрохвильових пристроїв для квантових технологій. Про це йдеться в матеріалі Newswise Science News.
Як поєднали два різні носії квантової інформації
Команда показала, що хвилеподібні збурення магнітного стану матеріалу, відомі як спінові хвилі, можуть взаємодіяти з надпровідним резонатором, який переносить мікрохвильові сигнали. Так утворюється гібридна система, де дві різні платформи перенесення інформації працюють спільно.
Йі Лі (Yi Li), науковець Аргонн і перший автор роботи, підкреслює, що це перший доказ принципу: вдалося надійно зв’язати спінові хвилі з надпровідним резонатором. Автори порівнюють підхід із гібридним автомобілем: як двигун внутрішнього згоряння та електромотор працюють разом, так і магнітні спінові хвилі та надпровідні кола в цьому пристрої доповнюють одне одного.
Надпровідні кола сьогодні є стандартними елементами багатьох квантових інформаційних систем. Їх можна уявити як мініатюрні «антени» на чипі, що генерують і приймають мікрохвильові сигнали та забезпечують зв’язок між іншими компонентами квантового пристрою. Це особливо критично в квантових комп’ютерах, де квантові стани дуже чутливі до шуму.
Чому спінові хвилі корисні для «руху в один бік»
Спінові хвилі дають іншу перевагу. За певних умов вони є односпрямованими: хвиля природно поширюється переважно в один бік, а не однаково в обидва. Для квантових систем це важливо, оскільки допомагає запобігти небажаному «поверненню» сигналу назад у чутливі елементи схеми.
За словами Лі, односпрямоване поширення дає змогу спрямовувати інформацію в заданому напрямку та зменшувати зворотні відбиті сигнали. Тепер цю властивість можна інтегрувати безпосередньо в надпровідну схему, поєднавши її зі спіновими хвилями.
Таке керування становить основу для майбутніх мініатюрних мікрохвильових ізоляторів на чипі — пристроїв, які пропускають сигнал лише в одному напрямку. Вони потрібні, щоб захистити крихкі квантові елементи від шумів, що повертаються по лініях зв’язку.
Пристрій на основі магнітної плівки та надпровідного контуру
У центрі експерименту — пристрій на основі тонкої магнітної плівки, по якій поширюються спінові хвилі. Плівка виготовлена з епітаксійного ітрієво-залізного гранату (YIG) — матеріалу, який особливо добре підтримує магнітні коливання, втрачаючи під час їх руху дуже мало енергії.
Друга складова — надпровідне коло у формі L-подібного резонатора, яке сформовано безпосередньо поверх магнітної плівки. Коли спінова хвиля рухається по YIG, вона збуджує в надпровідному контурі мікрохвилі. Резонатор налаштований так, щоб максимально ефективно взаємодіяти з хвилею в плівці, тож обидві підсистеми поводяться як єдина гібридна структура.
Валентин Новосад, почесний науковець Аргонн і провідний кореспондент статті, описує це як взаємодію двох різних типів хвиль: магнітних збуджень (спінових хвиль) у мікроструктурованому магнітному матеріалі та електромагнітних мікрохвиль у надпровідному резонаторі. Такий дизайн забезпечує сильне зчеплення між ними та дає змогу реалізувати односпрямоване поширення гібридного режиму — коли інформація в надпровідному колі передається переважно в одному напрямку.
Матеріальний виклик і рішення
Створити подібну платформу було непросто через обмеження матеріалів. Багато магнітних речовин надто швидко втрачають енергію, а проблема часто криється в підкладці, на якій вирощують плівку. Типові підкладки для високоякісних плівок YIG містять рідкісноземельні елементи, що добре поглинають мікрохвильові сигнали за низьких температур і «з’їдають» енергію системи.
Команда розв’язала цю проблему, перейшовши на підкладку без рідкісноземельних металів. У такому виконанні пристрій зміг працювати так, як було задумано. На думку авторів, раніше нікому не вдавалося реалізувати цей підхід саме через матеріальні обмеження, а тепер показано, що обрана платформа життєздатна.
Зв’язок двох напрямів: магноніка і надпровідні квантові кола
Нове дослідження об’єднує два активні напрями: магноніку спінових хвиль, яка вивчає фундаментальну фізику в магнітних матеріалах, і надпровідні квантові кола, зорієнтовані на мікрохвильову інженерію для обробки інформації.
У попередніх роботах магнітні спіни вже з’єднували з надпровідними колами за допомогою так званого режиму Кіттеля — колективного коливання спінів у всьому зразку. Такий режим нескладно зв’язати з резонатором, але він не забезпечує природного односпрямованого поширення сигналу.
У нинішній роботі спінові хвилі не лише взаємодіють з резонатором, а й продовжують свій шлях як мікрохвилі в надпровідному колі. Це робить підхід значно більш придатним для компактних інтегрованих систем на чипі, які можуть стати частиною майбутніх квантових пристроїв.
Аксель Гоффман (Axel Hoffmann), професор Університету Іллінойсу та кореспондентний автор, підкреслює, що в інженерії квантової інформації дослідники шукають у різних матеріалах «особливі» властивості, які можна використати в технологіях. У цьому випадку питання було в тому, що саме можна зробити з магнітним матеріалом такого типу — і отримана гібридна система є однією з відповідей.
Новосад відзначає, що це нова, швидко зростаюча галузь, яка привертає увагу у всьому світі. Отриманий результат розглядають як частину «яскравого майбутнього» гібридних систем у квантовій науці про інформацію.
Спінові хвилі спрямували квантову інформацію в надпровідному колі з’явилася спочатку на Цікавості.
