Nieuw ontdekt magnetisch gedrag kan leiden tot volgende generatie quantumapparaten

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) hebben magnetisch gedrag ontdekt dat kan leiden tot nieuwe quantumapparaten. Het team heeft kwantumkoppeling tussen twee verre magnetische apparaten bereikt, die een specifiek type magnetische excitaties kunnen herbergen, genaamd magnonen, die optreden wanneer een elektrische stroom een magnetisch veld genereert. Door deze magnetische apparaten te koppelen, kunnen magnonen energie en informatie uitwisselen, wat kan worden gebruikt om nieuwe quantumtechnologie-apparaten te creëren.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Physical Review Letters.

De ontwikkeling van magnetisme en quantumapparaten

De nieuwe ontwikkeling zet de stap naar voren in het veld van magnetisme, dat de drijvende kracht achter veel belangrijke ontdekkingen is geweest, zoals die met betrekking tot MRI-machines en computerharde schijven.

Valentine Novosad is een senior wetenschapper bij Argonne en auteur van de studie.

“De koppeling van magnonen op afstand is de eerste stap, of bijna een vereiste, voor het doen van kwantumwerk met magnetische systemen,” zei Novosad. “We tonen de mogelijkheid aan voor deze magnonen om instant met elkaar te communiceren op een afstand.”

Deze instant communicatie kan plaatsvinden zonder dat er een boodschap tussen magnonen hoeft te worden verstuurd die beperkt is door de snelheid van het licht.

De onderzoekers bouwden voort op een studie uit 2019 waarin ze een systeem ontwikkelden dat magnetische excitaties in staat zou stellen om met elkaar te communiceren op een afstand in een supergeleidende schakeling, wat magnonen in staat zou stellen om de basis te vormen van een type quantumcomputer. Echter, een dergelijke levensvatbare quantumcomputer zou vereisen dat de deeltjes gekoppeld zijn en voor een lange tijd gekoppeld blijven.

Het bereiken van een sterk koppelings-effect

Het team zette zich tot doel om dit sterke koppelings-effect te bereiken door een supergeleidende schakeling te bouwen. Ze gebruikten twee kleine yttriumijzergranaat (YIG) magnetische bollen die in de schakeling waren ingebed. Het materiaal ondersteunt magnonische excitatie en resulteert in efficiënte en verliesvrije koppeling voor de magnetische bollen.

De onderzoekers bereikten een sterke koppeling tussen de twee bollen, zelfs op een afstand van slechts een centimeter, door de twee bollen magnetisch te koppelen aan een gedeelde supergeleidende resonator in de schakeling.

Yi Li is een materiaalwetenschapper bij Argonne en de hoofdauteur van de studie.

“Dit is een significante prestatie,” zei Li. “Soortgelijke effecten kunnen ook worden waargenomen tussen magnonen en supergeleidende resonatoren, maar deze keer deden we het tussen twee magnonresonatoren zonder directe interactie. De koppeling komt voort uit indirecte interactie tussen de twee bollen en de gedeelde supergeleidende resonator.”

Een van de significante ontwikkelingen van de nieuwe studie, in vergelijking met die uit 2019, is dat er een langere coherentie van de magnonen in de magnetische resonator was.

“Als je in een grot spreekt, kun je een echo horen,” zei Novosad. “Hoe langer die echo duurt, hoe langer de coherentie.”

“Voorheen zagen we zeker een relatie tussen magnonen en een supergeleidende resonator, maar in deze studie zijn hun coherentietijden veel langer vanwege het gebruik van de bollen, en dat is waarom we bewijs zien van gescheiden magnonen die met elkaar praten,” vervolgde Li.

Li zegt dat de studie kan leiden tot geminimaliseerde quantumapparaten vanwege de hoge concentratie van magnetische spins in het apparaat.

“Het is mogelijk dat kleine magneten het geheim kunnen bezitten van nieuwe quantumcomputers,” concludeerde Li.