Nuovo comportamento magnetico scoperto potrebbe portare a dispositivi quantistici di nuova generazione

Scienziati del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) del Laboratorio Nazionale di Argonne hanno scoperto un comportamento magnetico che potrebbe portare a nuovi dispositivi quantistici. Il team ha raggiunto il accoppiamento quantistico tra due dispositivi magnetici distanti, che possono ospitare un tipo specifico di eccitazioni magnetiche chiamate magnoni che si verificano quando una corrente elettrica genera un campo magnetico. Accoppiando questi dispositivi magnetici, i magnoni possono scambiare energia e informazioni, che potrebbero essere utilizzate per creare nuovi dispositivi tecnologici quantistici.

La ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters.

Avanzamento del magnetismo e dei dispositivi quantistici

Il nuovo sviluppo porta avanti il campo del magnetismo, che è stato la forza trainante dietro molte importanti scoperte, come quelle relative alle macchine MRI e all’archiviazione su dischi rigidi dei computer.

Valentine Novosad è uno scienziato senior di Argonne e autore dello studio.

“L’accoppiamento remoto dei magnoni è il primo passo, o quasi un prerequisito, per svolgere lavori quantistici con sistemi magnetici”, ha detto Novosad. “Mostriamo la capacità di questi magnoni di comunicare istantaneamente tra loro a distanza”.

Questa comunicazione istantanea può avvenire senza richiedere l’invio di un messaggio tra magnoni limitato dalla velocità della luce.

I ricercatori hanno costruito su uno studio del 2019 in cui hanno sviluppato un sistema che avrebbe consentito alle eccitazioni magnetiche di comunicare a distanza in un circuito superconduttore, che avrebbe potuto consentire ai magnoni di formare la base di un tipo di computer quantistico. Tuttavia, un computer quantistico funzionante richiederebbe che le particelle siano accoppiate e rimangano accoppiate per un lungo periodo di tempo.

Ottenimento dell’effetto di accoppiamento forte

Il team ha cercato di ottenere questo effetto di accoppiamento forte costruendo un circuito superconduttore. Hanno utilizzato due piccole sfere magnetiche di granato di ferro di ittrio (YIG) incorporate nel circuito. Il materiale supporta l’eccitazione magnetica e consente un accoppiamento efficiente e a bassa perdita per le sfere magnetiche.

I ricercatori hanno raggiunto un forte accoppiamento tra le due sfere, anche a una distanza di solo un centimetro, accoppiando magneticamente le due sfere a un risonatore superconduttore condiviso nel circuito.

Yi Li è uno scienziato dei materiali di Argonne e autore principale dello studio.

“Questo è un risultato significativo”, ha detto Li. “Effetti simili possono anche essere osservati tra magnoni e risonatori superconduttori, ma questa volta l’abbiamo fatto tra due risonatori di magnoni senza interazione diretta. L’accoppiamento deriva dall’interazione indiretta tra le due sfere e il risonatore superconduttore condiviso”.

Uno degli sviluppi significativi del nuovo studio, rispetto a quello del 2019, è che c’è stata una maggiore coerenza dei magnoni nel risonatore magnetico.

“Se parli in una grotta, potresti sentire un’eco”, ha detto Novosad. “Più a lungo dura l’eco, più a lungo dura la coerenza”.

“Prima, abbiamo visto sicuramente una relazione tra magnoni e un risonatore superconduttore, ma in questo studio i tempi di coerenza sono molto più lunghi a causa dell’uso delle sfere, ed è per questo che possiamo vedere prove di magnoni separati che si parlano tra loro”, ha continuato Li.

Li afferma che lo studio potrebbe portare a dispositivi quantistici miniaturizzati a causa della concentrazione così alta degli spin magnetici nel dispositivo.

“È possibile che piccoli magneti possano nascondere il segreto di nuovi computer quantistici”, ha concluso Li.