Coupling of two individual magnon resonators via a superconducting microwave resonator operating in the strong coupling regime

في السعي لبناء حواسيب المستقبل، يبحث العلماء عن طرق لتخزين ونقل المعلومات باستخدام أصغر وحدات الطاقة الممكنة. أحد المرشحين الواعدين هو جسيم من الضوء محبوس داخل دائرة كهربائية صغيرة، يُعرف باسم فوتون الميكروويف. والآخر هو تموج جماعي للمغناطيسية يتحرك عبر مادة صلبة، يُسمى ماجنون (magnon). عندما يُجبر هذان الشيئان المختلفان تمامًا على التفاعل بقوة، يمكنهما تبادل الطاقة ذهابًا وإيابًا بسرعة تجعلهما نظامًا هجينًا واحدًا. هذا الاتصال القوي ضروري لمعالجة المعلومات الكمومية، حيث يعمل كجسر يسمح للذاكرة المغناطيسية بالتواصل مع الدوائر فائقة التوصيل. ومع ذلك، فإن التحكم في هذه التفاعلات أمر صعب؛ فعادةً، لضبط مادة مغناطيسية بحيث ترنين عند التردد المناسب للتحدث مع فوتون، يجب على الباحثين تطبيق مجال مغناطيسي. وإذا أرادوا التحكم في قطعتين مغناطيسيتين منفصلتين في نفس الوقت، فإنهم يحتاجون عادةً إلى مجموعتين منفصلتين ومعقدتين من الملفات لتوليد مجالات فردية لكل قطعة. هذا المتطلب لوجود معدات محلية ضخمة يجعل من الصعب تصغير هذه التجارب إلى حجم الرقاقة الدقيقة، وهو أمر ضريد للتقنية العملية.

وجد فريق من الباحثين في ألمانيا طريقة أبسط لحل هذه المشكلة عن طريق تغيير شكل المواد المغناطيسية نفسها. فبدلاً من استخدام ملفين منفصلين لضبط شريحتين مغناطيسيتين، وضعوا شريحتين طويلتين ونحيفتين من معدن مغناطيسي يسمى "بيرمالوي" (permalloy) فوق سلك فائق التوصيل واحد. لم توضع هاتان الشريحتان بشكل متوازٍ، بل وُضعتا بزاوية خمسين درجة، مشكلتين شكل حرف (V). استغل الباحثون خاصية طبيعية لهذه الشرائح الرقيقة: نظرًا لأنها طويلة ونحيفة، فإن مغناطيسيتها الداخلية تفضل الاصطفاف على طول طولها. ومن خلال تدوير الجهاز بأكمله داخل مجال مغناطيسي واحد موحد، استطاع الباحثون تغيير كيفية تفاعل المجال مع كل شريحة بشكل مختلف. فعندما يكون المجال محاذيًا لإحدى الشرائح، ترنين تلك الشريحة عند تردد معين. ومن خلال تدوير المجال، استطاعوا إزاحة هذا التردد صعودًا أو هبوطًا دون الحاجة إلى أسلاك أو ملفات إضافية.

أُجريت التجربة في درجات حرارة شديدة البرودة، قريبة من الصفر المطلق، لضمان مرور التيار الكهربائي عبر السلك فائق التوصيل دون أي مقاومة. اختبر الفريق أولاً شريطة مغناطيسية واحدة على السلك، وتأكدوا أنها تستطيع بالفعل الاقتران بقوة مع إشارات الميكروويف التي تنتقل عبر الدائرة. ورصدوا تبادلاً واضحًا للطاقة حيث اندمج الاهتزاز المغناطيسي مع الموجة الكهربائية، مما خلق فجوة متميزة في الإشارة أثبتت أنهما يتواصلان مع بعضهما البعض. أكد هذا أن إعدادهم كان يعمل كنظام اقتران قوي. ثم انتقلوا إلى الإعداد الأكثر تعقيدًا المكون من شريحتين. ومن خلال ضبط زاوية المجال المغناطيسي الخارجي بعناية، استطاعوا ضبط الشريحتين للاهتزاز عند التردد نفسه تمامًا، أو عند ترددين مختلفين تمامًا، ببساطة عن طريق تدوير المجال.

عندما تم ضبط الشريحتين على التردد نفسه، لم تعملا كمجرد شيئين منفصلين، بل عملتا كنظام واحد موحد متصل عبر السلك فائق التوصيل. رصد الباحثون نمطًا معقدًا في البيانات حيث خلقت الشريحتان المغناطيسيتان والسلك ثلاث حالات تفاعل متميزة. كانت حالتان من هذه الحالات ساطعتين وسهلتي الكشف، بينما ظلت الحالة الثالثة، حيث تهتز الشريحتان في أطوار متعاكسة، غير مرئية لأجهزة الاستشعار الخاصة بهم. تُعرف هذه الحالة غير المرئية باسم "النمط المظلم" (dark mode)، ووجودها أكد أن الشريحتين تتواصلان مع بعضهما البعض من خلال السلك. كان قوة هذا الاتصال كبيرة، حيث حدث تبادل الطاقة بسرعة كافية للتغلب على الفقد الطبيعي في النظام.

النتيجة الأكثر أهمية لهذا العمل هي طريقة التحكم. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال ترتيب عنصرين مغناطيسيين عند زاوية واستخدام مجال مغناطيسي واحد دوار، يمكنهم ضبط سلوك كل عنصر بشكل مستقل. هذا النهج يلغي الحاجة إلى ملفات الانحياز المحلية المعقدة التي جعلت التجارب السابقة صعبة التوسع. أظهر الفريق أن هذا الهيكل الهندسي يسمي التحكم الدقيق في الرنين المغناطيسي، مما يتيح للنظام التبديل بين امتلاك رنينين منفصلين ورنين واحد مدمج. يشير هذا التبسيط إلى مسار واضح للمضي قدمًا في دمج هذه المكونات الكمومية في الأجهزة المستوية، حيث يمكن التحكم في عناصر مغناطيسية متعددة على رقاقة واحدة دون فوضى الأسلاك الفردية لكل منها. يثبت هذا العمل أن الشكل والتوجه يمكن استخدامهما كأدوات قوية لإدارة التفاعلات الكمومية، مما يوفر مسارًا أكثر نظافة وقابلية للتوسع لبناء الأنظمة الهجينة الكمومية.