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

Dans la quête de la construction des ordinateurs du futur, les scientifiques cherchent des moyens de stocker et de déplacer l'information en utilisant les plus petites unités d'énergie possibles. Un candidat prometteur est une particule de lumière piégée à l'intérieur d'un minuscule circuit électrique, appelée photon micro-onde. Un autre est une ondulation collective du magnétisme se déplaçant à travers un matériau solide, appelée magnon. Lorsque ces deux éléments très différents sont forcés d'interagir fortement, ils peuvent échanger de l'énergie de manière si rapide qu'ils deviennent un système hybride unique. Cette connexion forte est essentielle pour le traitement de l'information quantique, agissant comme un pont qui permet à la mémoire magnétique de communiquer avec les circuits supraconducteurs. Cependant, contrôler ces interactions est difficile. Habituellement, pour accorder un matériau magnétique afin qu'il entre en résonance à la bonne fréquence pour communiquer avec un photon, les chercheurs doivent appliquer un champ magnétique. S'ils veulent contrôler deux pièces magnétiques distinctes en même temps, ils ont généralement besoin de deux ensembles de bobines séparés et complexes pour générer des champs individuels pour chaque pièce. Cette exigence d'équipement local encombrant rend difficile la réduction de ces expériences à la taille d'une puce microélectronique, ce qui est nécessaire pour une technologie pratique.

Une équipe de chercheurs en Allemagne a trouvé un moyen plus simple de résoudre ce problème en changeant la forme même des matériaux magnétiques. Au lieu d'utiliser deux bobines séparées pour accorder deux bandes magnétiques, ils ont placé deux longues et fines bandes d'un métal magnétique appelé permalloy sur un seul fil supraconducteur. Ces bandes n'étaient pas placées parallèlement l'une à l'autre ; au contraire, elles étaient inclinées à cinquante degrés, formant une forme en V. Les chercheurs ont exploité une propriété naturelle de ces bandes fines : comme elles sont longues et étroites, leur magnétisme interne préfère s'aligner le long de leur longueur. En faisant pivoter l'ensemble du dispositif à l'intérieur d'un champ magnétique unique et uniforme, les chercheurs ont pu modifier la façon dont le champ interagissait différemment avec chaque bande. Lorsque le champ était aligné avec une bande, celle-ci entrait en résonance à une fréquence spécifique. En tournant le champ, ils pouvaient déplacer cette fréquence vers le haut ou vers le bas sans avoir besoin de fils ou de bobines supplémentaires.

L'expérience a été menée à des températures extrêmement froides, proches du zéro absolu, pour garantir que le fil supraconducteur transporte l'électricité sans aucune résistance. L'équipe a d'abord testé une seule bande magnétique sur le fil et a confirmé qu'elle pouvait effectivement se coupler fortement avec les signaux micro-ondes voyageant à travers le circuit. Ils ont observé un échange clair d'énergie où la vibration magnétique et l'onde électrique fusionnaient, créant un écart distinct dans le signal qui prouvait qu'ils communiquaient entre eux. Cela a confirmé que leur installation fonctionnait comme un système de couplage fort. Ils sont ensuite passés à la configuration plus complexe avec deux bandes. En ajustant soigneusement l'angle du champ magnétique externe, ils pouvaient accorder les deux bandes pour qu'elles vibrent exactement à la même fréquence, ou à deux fréquences complètement différentes, simplement en faisant pivoter le champ.

Lorsque les deux bandes étaient accordées sur la même fréquence, elles ne se comportaient pas seulement comme deux choses distinctes ; elles agissaient comme un système unique et unifié, connecté via le fil supraconducteur. Les chercheurs ont observé un motif complexe dans les données où les deux bandes magnétiques et le fil créaient trois états d'interaction distincts. Deux de ces états étaient brillants et faciles à détecter, tandis qu'un troisième état, où les deux bandes vibraient en phases opposées, restait invisible pour leurs capteurs. Cet état invisible est connu sous le nom de mode sombre, et sa présence a confirmé que les deux bandes communiquaient entre elles à travers le fil. La force de cette connexion était significative, l'échange d'énergie se produisant assez rapidement pour surmonter les pertes naturelles du système.

Le résultat le plus important de ce travail est la méthode de contrôle. Les chercheurs ont démontré qu'en disposant deux éléments magnétiques selon un angle et en utilisant un seul champ magnétique rotatif, ils pouvaient accorder indépendamment le comportement de chaque élément. Cette approche élimine le besoin de bobines de polarisation locales compliquées qui ont rendu les expériences précédentes difficiles à mettre à l'échelle. L'équipe a montré que cette géométrie permet un contrôle précis de la résonance magnétique, permettant au système de basculer entre le fait d'avoir deux résonances séparées et une résonance unique fusionnée. Cette simplicité suggère une voie claire pour l'intégration de ces composants quantiques dans des dispositifs plans, où de multiples éléments magnétiques pourraient être contrôlés sur une seule puce sans l'encombrement d'un câblage individuel pour chacun d'eux. Le travail prouve que la forme et l'orientation peuvent être utilisées comme des outils puissants pour gérer les interactions quantiques, offrant une voie plus propre et plus évolutive pour construire des systèmes quantiques hybrides.