Hành vi từ tính mới được phát hiện có thể dẫn đến thiết bị lượng tử thế hệ tiếp theo

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã phát hiện ra hành vi từ tính có thể dẫn đến các thiết bị lượng tử mới. Đội ngũ đã đạt được sự ghép cặp lượng tử giữa hai thiết bị từ tính cách xa nhau, có thể chứa một loại kích thích từ tính cụ thể gọi là magnon xảy ra khi dòng điện tạo ra một trường từ. Bằng cách ghép cặp các thiết bị từ tính này, các magnon có thể trao đổi năng lượng và thông tin, có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị công nghệ lượng tử mới.

Nghiên cứu này đã được công bố trên Physical Review Letters.

Phát Triển Từ Tính và Thiết Bị Lượng tử

Phát triển mới này đã thúc đẩy lĩnh vực từ tính, đã là động lực đằng sau nhiều khám phá quan trọng, chẳng hạn như những khám phá liên quan đến máy MRI và lưu trữ đĩa cứng máy tính.

Valentine Novosad là một nhà khoa học cấp cao tại Argonne và là tác giả của nghiên cứu.

“Sự ghép cặp magnon từ xa là bước đầu tiên, hoặc gần như là điều kiện tiên quyết, để thực hiện nghiên cứu lượng tử với các hệ thống từ tính,” Novosad nói. “Chúng tôi đã chứng minh khả năng của các magnon để giao tiếp tức thời với nhau ở khoảng cách xa.”

Sự giao tiếp tức thời này có thể xảy ra mà không cần gửi tin nhắn giữa các magnon bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng.

Các nhà nghiên cứu đã xây dựng trên một nghiên cứu năm 2019, nơi họ đã phát triển một hệ thống cho phép kích thích từ tính giao tiếp với nhau ở khoảng cách xa trong một mạch siêu dẫn, có thể cho phép các magnon hình thành cơ sở của một loại máy tính lượng tử. Tuy nhiên, một máy tính lượng tử khả thi như vậy sẽ yêu cầu các hạt phải được ghép cặp và duy trì sự ghép cặp trong một khoảng thời gian dài.

Đạt Được Hiệu ứng ghép cặp mạnh

Đội ngũ đã cố gắng đạt được hiệu ứng ghép cặp mạnh này bằng cách xây dựng một mạch siêu dẫn. Họ đã sử dụng hai quả cầu từ tính nhỏ làm từ garnet sắt yttri (YIG) được nhúng vào mạch. Vật liệu này hỗ trợ kích thích từ tính và dẫn đến sự ghép cặp hiệu quả với tổn hao thấp cho các quả cầu từ tính.

Các nhà nghiên cứu đã đạt được sự ghép cặp mạnh giữa hai quả cầu, ngay cả ở khoảng cách chỉ một centimet, bằng cách kết nối từ tính hai quả cầu với một bộ cộng hưởng siêu dẫn chung trong mạch.

Yi Li là một nhà khoa học vật liệu tại Argonne và là tác giả chính của nghiên cứu.

“Đây là một thành tựu đáng kể,” Li nói. “Các hiệu ứng tương tự cũng có thể được quan sát giữa các magnon và bộ cộng hưởng siêu dẫn, nhưng lần này chúng tôi đã làm được điều đó giữa hai bộ cộng hưởng magnon mà không có tương tác trực tiếp. Sự ghép cặp xuất phát từ sự tương tác gián tiếp giữa hai quả cầu và bộ cộng hưởng siêu dẫn chung.”

Một trong những phát triển quan trọng của nghiên cứu mới này, so với nghiên cứu năm 2019, là thời gian kết hợp pha của các magnon trong bộ cộng hưởng từ tính dài hơn.

“Nếu bạn nói trong một hang động, bạn có thể nghe thấy tiếng vang,” Novosad nói. “Tiếng vang càng kéo dài, thời gian kết hợp pha càng dài.”

“Trước đây, chúng tôi chắc chắn đã thấy mối quan hệ giữa các magnon và bộ cộng hưởng siêu dẫn, nhưng trong nghiên cứu này, thời gian kết hợp pha của chúng lâu hơn rất nhiều do sử dụng các quả cầu, đó là lý do tại sao chúng tôi có thể thấy bằng chứng về các magnon tách biệt giao tiếp với nhau,” Li tiếp tục.

Li nói rằng nghiên cứu này có thể dẫn đến các thiết bị lượng tử thu nhỏ do các spin từ tính tập trung rất cao trong thiết bị.

“Có thể những nam châm nhỏ có thể giữ bí mật cho các máy tính lượng tử mới,” Li kết luận.