Nyt opdaget magnetisk adfærd kan føre til næste generation af kvanteenheder

Forskere fra U.S. Department of Energy’s (DOE) Argonne National Laboratory har opdaget en magnetisk adfærd, der kan føre til nye kvanteenheder. Holdet opnåede kvantekobling mellem to fjerntliggende magnetiske enheder, der kan rumme en bestemt type magnetiske excitationer kaldet magnoner, der opstår, når en elektrisk strøm genererer et magnetfelt. Ved at kobling disse magnetiske enheder kan magnoner udveksle energi og information, hvilket kan bruges til at skabe nye kvanteteknologi-enheder.

Forskningen blev offentliggjort i Physical Review Letters.

Fremme af magnetisme og kvanteenheder

Den nye udvikling fører fremme af feltet magnetisme, der har været den drivende kraft bag mange vigtige opdagelser, såsom dem, der involverer MRI-maskiner og computerharddisk-lagring.

Valentine Novosad er en seniorforsker ved Argonne og forfatter af studiet.

“Fjernkobling af magnoner er det første skridt, eller næsten en forudsætning, for at udføre kvantearbejde med magnetiske systemer,” sagde Novosad. “Vi viser evnen for disse magnoner til at kommunikere øjeblikkeligt med hinanden på afstand.”

Denne øjeblikkelige kommunikation kan finde sted uden at kræve at sende en besked mellem magnoner, der er begrænset af lysets hastighed.

Forskerne byggede videre på en studie fra 2019, hvor de udviklede et system, der ville ermögille magnetiske excitationer til at tale til hinanden på afstand i en superledende kreds, hvilket kunne ermögille magnoner til at danne grundlaget for en type kvantecomputer. Men en sådan brugbar kvantecomputer ville kræve, at partiklerne var koblet og forblev koblet i en lang periode.

Opnåelse af stærk koblingseffekt

Holdet satte sig for at opnå denne stærke koblingseffekt ved at bygge en superledende kreds. De brugte to små yttrium-jern-granat (YIG) magnetiske kugler indlejret i kredsen. Materiale understøtter magnon-excitering og resulterer i effektiv og lavtabs-kobling for de magnetiske kugler.

Forskerne opnåede stærk kobling mellem de to kugler, selv på en afstand af kun en centimeter, ved at magnetisk kobling de to kugler til en fælles superledende resonator i kredsen.

Yi Li er en materialsvidenskabsmand ved Argonne og hovedforfatter af studiet.

“Dette er en betydelig præstation,” sagde Li. “Lignende effekter kan også observeres mellem magnoner og superledende resonatorer, men denne gang gjorde vi det mellem to magnon-resonatorer uden direkte interaktion. Koblingen kommer fra indirekte interaktion mellem de to kugler og den fælles superledende resonator.”

En af de betydelige udviklinger i den nye studie, i forhold til den i 2019, er, at der var en længere kohærens af magnonerne i den magnetiske resonator.

“Hvis du taler i en hule, kan du høre en ekko,” sagde Novosad. “Jo længere, denne ekko varer, jo længere kohærens.”

“Før kunne vi bestemt se en relation mellem magnoner og en superledende resonator, men i denne studie er deres kohærens-tider meget længere på grund af brugen af kuglerne, hvilket er hvorfor vi kan se bevis for adskilte magnoner, der taler til hinanden,” fortsatte Li.

Li siger, at studiet kan føre til miniaturiserede kvanteenheder på grund af, at de magnetiske spin er så højt koncentreret i enheden.

“Det er muligt, at små magneter kan holde hemmeligheden bag nye kvantecomputere,” sluttede Li.