Strong coupling between propagating spin wave and microwave photons in a superconducting resonator

Resumen Técnico: Acoplamiento Fuerte entre Ondas de Espín Propagantes y Fotones de Microondas en un Resonador Superconductor

Planteamiento del Problema
Si bien la magnónica híbrida ofrece una plataforma versátil para el procesamiento de información cuántica al acoplar excitaciones magnéticas de estado sólido (magnones) con fotones de microondas, las demostraciones experimentales se han centrado predominantemente en excitaciones de espín colectivas uniformes conocidas como modos Kittel. Las propiedades únicas de los materiales requeridas para funcionalidades cuánticas avanzadas —como la no reciprocidad intrínseca de los magnones para aisladores en chip y el entrelazamiento mediado por ondas de espín— dependen de las ondas de espín propagantes. Sin embargo, explorar las ondas de espín propagantes en la magnónica de cavidad, particularmente a temperaturas criogénicas, sigue siendo un desafío. Los ferromagnetos metálicos sufren un aumento de la amortiguación tipo conductividad a bajas temperaturas. Además, el aislante magnético de baja amortiguación estándar, el granate de iterbio y hierro (YIG), se cultiva típicamente sobre sustratos de granate de gadolinio y galio (GGG), los cuales exhiben un ordenamiento magnético complejo y una fuerte absorción de microondas a temperaturas criogénicas, lo que dificulta la integración con circuitos superconductores.

Metodología
Para abordar estos desafíos, los autores desarrollaron circuitos magnónicos híbridos superconductores que integran ondas de espín propagantes con fotones de microondas. El enfoque experimental involucró las siguientes etapas clave:

• Crecimiento de Películas y Sustratos: Se cultivaron películas delgadas de YIG mediante pulverización catódica (sputtering) sobre sustratos de Y₃Sc₂Ga₃O₁₂ (YSGG) libres de tierras raras. Esta elección evita las complicaciones magnéticas del GGG a bajas temperaturas. Las películas fueron recocidas a 850 °C y se confirmó su alta calidad epitaxial mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM).
• Fabricación de Dispositivos: Se fabricaron resonadores de guía de onda coplanar (CPW) superconductores directamente sobre las películas de YIG utilizando una capa superconductora de NbN. Para minimizar los efectos de proximidad magnética, se depositó una capa intermedia de SiN de 10 nm entre el YIG y el NbN. Se diseñaron dos geometrías de resonador: un resonador recto de cuarto de onda ($\lambda/4$) y un resonador meándrico. Ambos contaron con anchos de línea de señal a escala micrométrica (que oscilan entre 0.5 y 2 $\mu$m) para coincidir con los modos de onda de espín de longitud de onda corta, manteniendo simultáneamente longitudes de escala milimétrica para resonar con los fotones de microondas.
• Medición: Se empleó la espectroscopia de Analizador de Redes Vectoriales (VNA) para medir los espectros de transmisión bajo campos magnéticos en el plano. El estudio examinó tanto las configuraciones de onda de espín de Damon-Eshbach (DE) como las de volumen hacia atrás (BV). Para investigar la no reciprocidad, se fabricó un acoplador CPW paralelo adyacente al resonador meándrico para detectar las ondas de espín radiadas.

Contribuciones Clave y Resultados

• Logro de Acoplamiento Fuerte: El estudio demuestra un acoplamiento fuerte entre los modos de onda de espín propagantes y los fotones de microondas, con fuerzas de acoplamiento ($g$) que superan las tasas de amortiguación de los magnones ($\kappa_m$) y de los fotones ($\kappa_c$).
  • Para el resonador $\lambda/4$ ($w=2$ $\mu$m), se extrajo una fuerza de acoplamiento de $g/2\pi = 115$ MHz, con una tasa de amortiguación de magnón de $\kappa_m/2\pi = 70$ MHz.
  • Para el resonador meándrico ($w=1$ $\mu$m), utilizando películas con un mejor ajuste de red, la fuerza de acoplamiento alcanzó $g/2\pi = 150$ MHz para los modos DE, con una tasa de amortiguación de magnón reducida de $\kappa_m/2\pi = 34$ MHz.
• Identificación de Modos y Dispersión: Los investigadores observaron cruces evitados entre el modo del resonador y modos de onda de espín específicos. Los modos de onda de espín exhibieron desplazos de frecuencia respecto al modo quasi-Kittel consistentes con las dispersiones teóricas: un desplazamiento positivo para los modos DE y un desplazamiento negativo para los modos BV. Adicionalmente, se observaron modos de onda de espín estacionaria perpendicular (PSSW), donde la geometría meándrica aumentó el acoplamiento a estos modos debido al incremento de la inhomogeneidad del campo de microondas.
• No Reciprocidad: Mediante la modificación del acoplador de detección, los autores demostraron la transmisión no recíproca en el modo magnónico híbrido bajo la configuración DE. Se midió un aislamiento de potencia de 4 dB entre la transmisión directa ($S_{21}$) y la reversa ($S_{12}$), la cual se invirtió al cambiar la polaridad del campo magnético. Esto confirma la integración de la no reciprocidad intrínseca de la onda de espín en el sistema híbrido.
• Análisis Cuantitativo: Las fuerzas de acoplamiento y las anchuras de línea extraídas se analizaron frente a modelos teóricos. La cooperatividad ($C = g^2/\kappa_c\kappa_m$) se calculó en 662 para el modo DE y en 294 para el modo BV en el resonador meándrico, situando firmemente el sistema en el régimen de acoplamiento fuerte. El estudio también estimó la amortiguación por radiación de la onda de espín, encontrando que esta es menor que la relajación intrínseca del magnón, lo que indica que la amortiguación intrínseca domina en los dispositivos actuales.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados abren nuevas vías para la integración de la magnónica de ondas de espín con la magnónica de cavidad. Al lograr con éxito el acoplamiento fuerte con ondas de espín propagantes a temperaturas criogénicas utilizando circuitos híbridos YIG/YSGG, este trabajo extiende el alcance de la magnónica de cavidad más allá de los modos Kittel uniformes. La demostración de la no reciprocidad intrínseca resalta el potencial para incorporar tales propiedades en sistemas híbridos para aplicaciones como aisladores en chip. Además, la capacidad de lograr un acoplamiento fuerte sin confinamiento lateral de la onda de espín sugiere un camino hacia la construcción de circuitos magnónicos híbridos criogénicos para la ciencia de la información cuántica, incluyendo aplicaciones potenciales en operaciones magnónicas cuánticas y sensores.