Nyoppdaget magnetisk atferd kan føre til neste generasjons kvanteenheter

Forskere ved USAs energidepartements (DOE) Argonne National Laboratory har oppdaget magnetisk atferd som kan føre til nye kvanteenheter. Teamet oppnådde kvantekobling mellom to fjerne magnetiske enheter, som kan inneholde en spesifikk type magnetiske eksitasjoner kalt magnoner som oppstår når en elektrisk strøm genererer et magnetfelt. Ved å koble disse magnetiske enhetene, kan magnoner utveksle energi og informasjon, som kan brukes til å skape nye kvanteteknologi-enheter. 

Forskningen ble publisert i Physical Review Letters. 

Fremme av magnetisme og kvanteenheter

Den nye utviklingen tar fremme av feltet magnetisme, som har vært drivkraften bak mange viktige oppdagelser, som for eksempel de som involverer MRI-maskiner og datamaskinharddisk-lagring. 

Valentine Novosad er en seniorforsker ved Argonne og forfatter av studien. 

“Fjernkobling av magnoner er det første skrittet, eller nesten et krav, for å gjøre kvantearbeid med magnetiske systemer,” sa Novosad. “Vi viser evnen for disse magnonene til å kommunisere umiddelbart med hverandre på avstand.” 

Denne umiddelbare kommunikasjonen kan skje uten å sende en melding mellom magnoner begrenset av lyshastigheten. 

Forskerne bygde videre på en studie fra 2019 hvor de utviklet et system som ville ermögne magnetiske eksitasjoner å snakke med hverandre på avstand i en superledende krets, som kunne ermögne magnoner å danne grunnlaget for en type kvantecomputer. Men en slik livskraftig kvantecomputer ville kreve at partiklene var koblet og forble koblet i en lang periode. 

Oppnåelse av sterk koblingseffekt

Teamet satte ut til å oppnå denne sterke koblingseffekten ved å bygge en superledende krets. De brukte to små yttrium-jern-granat (YIG) magnetiske kuler innfestet på kretsen. Materialet støtter magnon-eksitasjon og resulterer i effektiv og lavtaps-kobling for magnetkulene. 

Forskerne oppnådde sterk kobling mellom de to kulene, selv på en avstand av bare en centimeter, ved å magnetisk koble de to kulene til en felles superledende resonator i kretsen. 

Yi Li er en materialsforsker ved Argonne og hovedforfatter av studien. 

“Dette er en betydelig prestasjon,” sa Li. “Lignende effekter kan også observeres mellom magnoner og superledende resonatorer, men denne gangen gjorde vi det mellom to magnon-resonatorer uten direkte interaksjon. Koblingen kommer fra indirekte interaksjon mellom de to kulene og den felles superledende resonatoren.” 

En av de betydelige utviklingene i den nye studien, sammenlignet med den fra 2019, er at det var en lengre kohærens av magnoner i den magnetiske resonatoren. 

“Hvis du snakker i en hule, kan du høre en ekko,” sa Novosad. “Jo lenger ekkoet varer, jo lenger kohærensen.” 

“Før så vi definitivt en sammenheng mellom magnoner og en superledende resonator, men i denne studien er deres kohærens-tider mye lengre på grunn av bruk av kulene, som er hvorfor vi kan se bevis for at adskilte magnoner snakker med hverandre,” fortsatte Li. 

Li sier at studien kan føre til miniaturiserte kvanteenheter på grunn av at de magnetiske spinnene er så høyt konsentrert i enheten. 

“Det er mulig at små magneter kan holde hemmeligheten til nye kvantecomputere,” konkluderte Li.