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

En la búsqueda para construir las computadoras del futuro, los científicos están buscando formas de almacenar y mover información utilizando las unidades de energía más diminutas posibles. Un candidato prometedor es una partícula de luz atrapada dentro de un diminuto circuito eléctrico, conocida como fotón de microondas. Otro es una ondulación colectiva de magnetismo que se desplaza a través de un material sólido, llamada magnón. Cuando estos dos elementos tan diferentes se ven obligados a interactuar fuertemente, pueden intercambiar energía de ida y vuelta tan rápido que se convierten en un sistema híbrido único. Esta conexión fuerte es esencial para el procesamiento de información cuántica, actuando como un puente que permite que la memoria magnética se comunique con los circuitos superconductores. Sin embargo, controlar estas interacciones es difícil. Por lo general, para sintonizar un material magnético de modo que resuene en la frecuencia adecuada para hablar con un fotón, los investigadores deben aplicar un campo magnético. Si quieren controlar dos piezas magnéticas separadas al mismo tiempo, normalmente necesitan dos conjuntos distintos y complejos de bobinas para generar campos individuales para cada pieza. Este requisito de equipos locales voluminosos dificulta la reducción de estos experimentos al tamaño de un microchip, lo cual es necesario para la tecnología práctica.

Un equipo de investigadores en Alemania ha encontrado una forma más sencilla de resolver este problema cambiando la forma de los materiales magnéticos en sí mismos. En lugar de usar dos bobinas separadas para sintonizar dos tiras magnéticas, colocaron dos tiras largas y delgadas de un metal magnético llamado permalloy sobre un único cable superconductor. Estas tiras no fueron colocadas paralelas entre sí; en su lugar, fueron anguladas a cincuenta grados, formando una forma de V. Los investigadores explotaron una propiedad natural de estas tiras delgadas: debido a que son largas y estrechas, su magnetismo interno prefiere alinearse a lo largo de su longitud. Al rotar todo el dispositivo dentro de un campo magnético único y uniforme, los investigadores pudieron cambiar cómo el campo interactuaba con cada tira de manera diferente. Cuando el campo se alineaba con una tira, esa tira resonaba a una frecuencia específica. Al girar el campo, podían desplazar esa frecuencia hacia arriba o hacia abajo sin necesidad de cables o bobinas adicionales.

El experimento se llevó a cabo a temperaturas extremadamente frías, cerca del cero absoluto, para asegurar que el cable superconductor transportara electricidad sin resistencia. El equipo primero probó una sola tira magnética sobre el cable y confirmó que, de hecho, podía acoplarse fuertemente con las señales de microondas que viajaban a través del circuito. Observaron un intercambio claro de energía donde la vibración magnética y la onda eléctrica se fusionaron, creando una brecha distintiva en la señal que demostró que estaban comunicándose. Esto confirmó que su configuración funcionaba como un sistema de acoplamiento fuerte. Luego pasaron a la configuración más compleja con dos tiras. Ajustando cuidadosamente el ángulo del campo magnético externo, pudieron sintonizar las dos tiras para que vibraran exactamente a la misma frecuencia, o a dos frecuencias completamente diferentes, simplemente rotando el campo.

Cuando las dos tiras se sintonizaron a la misma frecuencia, no actuaron solo como dos cosas separadas; actuaron como un sistema único y unificado conectado a través del cable superconductor. Los investigadores observaron un patrón complejo en los datos donde las dos tiras magnéticas y el cable crearon tres estados distintos de interacción. Dos de estos estados eran brillantes y fáciles de detectar, mientras que un tercer estado, donde las dos tiras vibraban en fases opuestas, permanecía invisible para sus sensores. Este estado invisible se conoce como modo oscuro, y su presencia confirmó que las dos tiras se estaban comunicando entre sí a través del cable. La fuerza de esta conexión fue significativa, con el intercambio de energía ocurriendo lo suficientemente rápido como para superar las pérdidas naturales del sistema.

El resultado más importante de este trabajo es el método de control. Los investigadores demostraron que, al disponer dos elementos magnéticos en un ángulo y utilizar un único campo magnético rotatorio, podían sintonizar independientemente el comportamiento de cada elemento. Este enfoque elimina la necesidad de las complicadas bobinas de polarización locales que han dificultado la escalabilidad de experimentos anteriores. El equipo mostró que esta geometría permite un control preciso sobre la resonancia magnética, permitiendo al sistema alternar entre tener dos resonancias separadas y una única resonancia fusionada. Esta simplicidad sugiere un camino claro para integrar estos componentes cuánticos en dispositivos planares, donde múltiples elementos magnéticos podrían controlarse en un solo chip sin el desorden del cableado individual para cada uno. El trabajo demuestra que la forma y la orientación pueden utilizarse como herramientas poderosas para gestionar las interacciones cuánticas, ofreciendo una ruta más limpia y escalable para construir sistemas cuánticos híbridos.