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

Auf der Suche nach dem Bau der Computer der Zukunft suchen Wissenschaftler nach Wegen, Informationen mit den kleinstmöglichen Energieeinheiten zu speichern und zu bewegen. Ein vielversprechender Kandidat ist ein Lichtteilchen, das in einem winzigen elektrischen Schaltkreis gefangen ist, bekannt als Mikrowellenphoton. Ein anderer ist eine kollektive magnetische Welle, die sich durch ein festes Material bewegt, genannt Magnon. Wenn diese zwei sehr unterschiedlichen Dinge gezwungen werden, stark miteinander zu interagieren, können sie Energie so schnell hin und her austauschen, dass sie zu einem einzigen, hybriden System werden. Diese starke Verbindung ist essenziell für die Quanteninformationsverarbeitung und fungiert als Brücke, die es ermöglicht, dass magnetischer Speicher mit supraleitenden Schaltkreisen kommuniziert. Die Kontrolle dieser Interaktionen ist jedoch schwierig. Normalerweise müssen Forscher ein magnetisches Material mit einem Magnetfeld abstimmen, um es so zu bringen, dass es bei der richtigen Frequenz mit einem Photon resoniert. Wenn sie zwei separate magnetische Teile gleichzeitig steuern wollen, benötigen sie typischerweise zwei separate, komplexe Sätze von Spulen, um für jedes Teil individuelle Felder zu erzeugen. Diese Anforderung an sperrige, lokale Ausrüstung macht es schwierig, diese Experimente auf die Größe eines Mikrochips zu schrumpfen, was für praktische Technologien notwendig ist.

Ein Forscherteam in Deutschland hat einen einfacheren Weg gefunden, um dieses Problem zu lösen, indem es die Form der magnetischen Materialien selbst verändert. Anstatt zwei separate Spulen zu verwenden, um zwei magnetische Streifen abzustimmen, platzierten sie zwei lange, dünne Streifen eines magnetischen Metalls namens Permalloy auf einem einzigen supraleitenden Draht. Diese Streifen wurden nicht parallel zueinander platziert, sondern in einem Winkel von fünfzig Grad angeordnet, sodass sie eine V-Form bilden. Die Forscher nutzten eine natürliche Eigenschaft dieser dünnen Streifen aus: Da sie lang und schmal sind, bevorzugt ihr interner Magnetismus die Ausrichtung entlang ihrer Länge. Durch das Rotieren des gesamten Bauteils innerhalb eines einzigen, einheitlichen Magnetfeldes konnten die Forscher verändern, wie das Feld mit jedem Streifen unterschiedlich interagiert. Wenn das Feld mit einem Streifen ausgerichtet war, resonierte dieser Streifen bei einer spezifischen Frequenz. Durch das Drehen des Feldes konnten sie diese Frequenz nach oben oder unten verschieben, ohne zusätzliche Drähte oder Spulen zu benötigen.

Das Experiment wurde bei extrem kalten Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt durchgeführt, um sicherzustellen, dass der supraleitende Draht Strom ohne Widerstand leitet. Das Team testete zuerst einen einzelnen magnetischen Streifen auf dem Draht und bestätigte, dass dieser tatsächlich stark mit den Mikrowellensignalen koppeln konnte, die durch den Schaltkreis fließen. Sie beobachteten einen klaren Energieaustausch, bei dem die magnetische Schwingung und die elektrische Welle verschmolzen, was eine deutliche Lücke im Signal erzeugte, die bewies, dass sie miteinander kommunizierten. Dies bestätigte, dass ihr Aufbau als ein starkes Kopplungssystem funktionierte. Sie gingen dann zu dem komplexeren Aufbau mit zwei Streifen über. Durch die sorgfältige Einstellung des Winkels des externen Magnetfeldes konnten sie die beiden Streifen so abstimmen, dass sie entweder mit exakt derselben Frequenz oder mit zwei völlig unterschiedlichen Frequenzen vibrierten, einfach indem sie das Feld rotierten.

Wenn die beiden Streifen auf dieselbe Frequenz abgestimmt waren, agierten sie nicht nur als zwei separate Dinge, sondern als ein einziges, einheitliches System, das durch den supraleitenden Draht verbunden ist. Die Forscher beobachteten ein komplexes Muster in den Daten, bei dem die zwei magnetischen Streifen und der Draht drei verschiedene Zustände der Interaktion erzeugten. Zwei dieser Zustände waren hell und leicht zu detektieren, während ein dritter Zustand, bei dem die zwei Streifen in entgegengesetzten Phasen vibrierten, für ihre Sensoren unsichtbar blieb. Dieser unsichtbare Zustand ist als „Dark Mode“ (dunkler Modus) bekannt, und sein Vorhandensein bestätigte, dass die zwei Streifen durch den Draht miteinander kommunizierten. Die Stärke dieser Verbindung war signifikant, wobei der Energieaustausch schnell genug geschah, um die natürlichen Verluste im System zu überwinden.

Das wichtigste Ergebnis dieser Arbeit ist die Methode der Steuerung. Die Forscher demonstrierten, dass sie durch die Anordnung zweier magnetischer Elemente in einem Winkel und die Verwendung eines einzigen rotierenden Magnetfeldes in der Lage waren, das Verhalten jedes Elements unabhängig voneinander abzustimmen. Dieser Ansatz macht die komplizierten, lokalen Bias-Spulen überflüssig, die bisherige Experimente schwierig gemacht haben. Das Team zeigte, dass diese Geometrie eine präzise Kontrolle über die magnetische Resonanz ermöglicht, was es dem System erlaubt, zwischen zwei separaten Resonanzen und einer einzigen, verschmolzenen Resonanz zu wechseln. Diese Einfachheit deutet auf einen klaren Weg zur Integration dieser Quantenkomponenten in planare Bauteile hin, bei denen mehrere magnetische Elemente auf einem einzigen Chip gesteuert werden könnten, ohne die Unordnung der individuellen Verkabelung für jedes einzelne Element. Die Arbeit beweist, dass Form und Orientierung als mächtige Werkzeuge genutzt werden können, um Quanteninteraktionen zu steuern, was einen saubereren, skalierbareren Weg zum Bau hybrider Quantensysteme bietet.