Nyupptäckt magnetisk beteende kan leda till nästa generations kvantenheter

Forskare från USA:s energidepartements (DOE) Argonne National Laboratory har upptäckt ett magnetiskt beteende som kan leda till nya kvantenheter. Teamet uppnådde kvantkoppling mellan två avlägsna magnetiska enheter, som kan vara värd för en specifik typ av magnetiska excitationer som kallas magnoner, som uppstår när en elektrisk ström genererar ett magnetfält. Genom att koppla dessa magnetiska enheter kan magnoner utbyta energi och information, vilket kan användas för att skapa nya kvantteknologienheter.

Forskningen publicerades i Physical Review Letters.

Utveckling av magnetism och kvantenheter

Den nya utvecklingen för fram fältet magnetism, som har varit den drivande kraften bakom många viktiga upptäckter, såsom de som rör MRI-maskiner och datorhårddisklagring.

Valentine Novosad är en seniorforskare vid Argonne och författare till studien.

“Avlägsen koppling av magnoner är det första steget, eller nästan ett krav, för att göra kvantarbete med magnetiska system”, sa Novosad. “Vi visar förmågan för dessa magnoner att kommunicera omedelbart med varandra på avstånd.”

Denna omedelbara kommunikation kan ske utan att kräva att skicka ett meddelande mellan magnoner som är begränsade av ljusets hastighet.

Forskarna byggde vidare på en studie från 2019 där de utvecklade ett system som skulle möjliggöra magnetiska excitationer att prata med varandra på avstånd i en supraledande krets, som kunde möjliggöra att magnoner bildar grunden för en typ av kvantdator. Men en sådan livskraftig kvantdator skulle kräva att partiklarna är kopplade och förblir kopplade under en lång tid.

Uppnående av stark kopplingseffekt

Teamet satte upp att uppnå denna starka kopplingseffekt genom att bygga en supraledande krets. De använde två små yttriumjärngranat (YIG) magnetiska sfärer som infogades i kretsen. Materialet stöder magnonisk excitation och resulterar i effektiv och lågförlustkoppling för de magnetiska sfärerna.

Forskarna uppnådde stark koppling mellan de två sfärerna, även på ett avstånd av bara en centimeter, genom att magnetiskt koppla de två sfärerna till en gemensam supraledande resonator i kretsen.

Yi Li är en materialforskare vid Argonne och huvudförfattare till studien.

“Detta är en betydande prestation”, sa Li. “Liknande effekter kan också observeras mellan magnoner och supraledande resonatorer, men den här gången gjorde vi det mellan två magnonresonatorer utan direkt interaktion. Kopplingen kommer från indirekt interaktion mellan de två sfärerna och den gemensamma supraledande resonatorn.”

En av de betydande utvecklingarna i den nya studien, jämfört med den från 2019, är att det fanns en längre sammanhållning av magnonerna i den magnetiska resonatorn.

“Om du talar i en grotta, kan du höra en ekon”, sa Novosad. “Ju längre eko som varar, desto längre sammanhållning.”

“Tidigare såg vi definitivt ett samband mellan magnoner och en supraledande resonator, men i denna studie är deras sammanhållningstider mycket längre på grund av användningen av sfärerna, vilket är varför vi kan se bevis för separerade magnoner som pratar med varandra”, fortsatte Li.

Li säger att studien kan leda till miniaturiserade kvantenheter på grund av att de magnetiska spinn är så högt koncentrerade i enheten.

“Det är möjligt att små magneter kan ha hemligheten till nya kvantdatorer”, avslutade Li.