Neu entdecktes magnetisches Verhalten könnte zu Next-Gen-Quanten-Geräten führen

Wissenschaftler aus dem US-amerikanischen Energieministeriums (DOE) Argonne National Laboratory haben ein magnetisches Verhalten entdeckt, das zu neuen Quanten-Geräten führen könnte. Das Team erreichte eine Quanten-Kopplung zwischen zwei entfernten magnetischen Geräten, die eine spezielle Art von magnetischen Anregungen beherbergen können, die als Magnonen bezeichnet werden und auftreten, wenn ein elektrischer Strom ein magnetisches Feld erzeugt. Durch die Kopplung dieser magnetischen Geräte können Magnonen Energie und Informationen austauschen, was zur Erstellung neuer Quanten-Technologie-Geräte verwendet werden könnte.

Die Forschung wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.

Fortschritte im Magnetismus und in Quanten-Geräten

Die neue Entdeckung führt das Feld des Magnetismus voran, das der treibende Faktor hinter vielen wichtigen Entdeckungen war, wie z.B. die Entdeckungen im Zusammenhang mit MRI-Maschinen und Computer-Festplattenspeicher.

Valentine Novosad ist ein Senior-Wissenschaftler am Argonne und Autor der Studie.

“Die Remote-Kopplung von Magnonen ist der erste Schritt oder fast eine Voraussetzung für die Arbeit mit magnetischen Systemen im Quantenbereich”, sagte Novosad. “Wir zeigen die Fähigkeit dieser Magnonen, miteinander zu kommunizieren, ohne dass eine Nachricht zwischen ihnen ausgetauscht werden muss, die durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist.”

Diese Kommunikation kann ohne die Notwendigkeit einer Nachricht zwischen Magnonen stattfinden, die durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist.

Die Forscher bauten auf einer Studie aus dem Jahr 2019 auf, in der sie ein System entwickelten, das es ermöglichen würde, magnetische Anregungen über eine Entfernung in einem supraleitenden Schaltkreis miteinander zu verbinden, was es ermöglichen könnte, Magnonen als Grundlage für eine Art von Quantencomputer zu verwenden. Allerdings würde ein solcher leistungsfähiger Quantencomputer erfordern, dass die Teilchen gekoppelt sind und über einen langen Zeitraum hinweg gekoppelt bleiben.

Erreichen des starken Kopplungseffekts

Das Team versuchte, diesen starken Kopplungseffekt zu erreichen, indem es einen supraleitenden Schaltkreis baute. Sie verwendeten zwei kleine Yttrium-Eisen-Granat-(YIG)-Magnetkugeln, die in den Schaltkreis eingebettet waren. Das Material unterstützt magnonische Anregungen und führt zu einer effizienten und verlustarmen Kopplung der Magnetkugeln.

Die Forscher erreichten eine starke Kopplung zwischen den beiden Kugeln, sogar bei einer Entfernung von nur einem Zentimeter, indem sie die beiden Kugeln magnetisch an einen gemeinsamen supraleitenden Resonator im Schaltkreis koppelten.

Yi Li ist ein Materialwissenschaftler am Argonne und der Hauptautor der Studie.

“Dies ist eine bedeutende Leistung”, sagte Li. “Ähnliche Effekte können auch zwischen Magnonen und supraleitenden Resonatoren beobachtet werden, aber diesmal haben wir es zwischen zwei Magnon-Resonatoren ohne direkte Wechselwirkung geschafft. Die Kopplung kommt von der indirekten Wechselwirkung zwischen den beiden Kugeln und dem gemeinsamen supraleitenden Resonator.”

Eine der bedeutendsten Entwicklungen der neuen Studie im Vergleich zu der von 2019 ist, dass es eine längere Kohärenz der Magnonen im magnetischen Resonator gab.

“Wenn Sie in einer Höhle sprechen, hören Sie vielleicht ein Echo”, sagte Novosad. “Je länger das Echo anhält, desto länger die Kohärenz.”

“Vorher sahen wir definitiv eine Beziehung zwischen Magnonen und einem supraleitenden Resonator, aber in dieser Studie sind ihre Kohärenzzeiten viel länger, weil wir die Kugeln verwendet haben, und deshalb können wir Beweise für getrennte Magnonen sehen, die miteinander sprechen”, fuhr Li fort.

Li sagt, dass die Studie zu miniaturisierten Quanten-Geräten führen könnte, da die magnetischen Spins so hoch konzentriert im Gerät sind.

“Es ist möglich, dass winzige Magnete das Geheimnis für neue Quantencomputer halten”, schloss Li.