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

भविष्य के कंप्यूटरों के निर्माण की खोज में, वैज्ञानिक ऊर्जा की सबसे छोटी संभव इकाइयों का उपयोग करके सूचना को संग्रहीत करने और स्थानांतरित करने के तरीकों की तलाश कर रहे हैं। एक आशाजनक उम्मीदवार एक सूक्ष्म विद्युत सर्किट के भीतर फंसा हुआ प्रकाश का कण है, जिसे माइक्रोवेव फोटॉन (microwave photon) कहा जाता है। दूसरा एक ठोस पदार्थ के माध्यम से चलती चुंबकीय लहर है, जिसे मैग्नों (magnon) कहा जाता है। जब इन दो बहुत अलग चीजों को आपस में मजबूती से जुड़ने के लिए मजबूर किया जाता है, तो वे इतनी तेज़ी से ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकते हैं कि वे एक एकल, हाइब्रिड प्रणाली बन जाते हैं। क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए यह मजबूत संबंध आवश्यक है, जो एक सेतु के रूप में कार्य करता है जिससे चुंबकीय स्मृति (magnetic memory) सुपरकंडक्टिंग सर्किट से संवाद कर सके। हालाँकि, इन अंतःक्रियाओं को नियंत्रित करना कठिन है। आमतौर पर, किसी चुंबकीय सामग्री को उस आवृत्ति पर ट्यून करने के लिए ताकि वह फोटॉन के साथ संवाद कर सके, शोधकर्ताओं को एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करना पड़ता है। यदि वे एक ही समय में दो अलग-अलग चुंबकीय टुकड़ों को नियंत्रित करना चाहते हैं, तो उन्हें आमतौर पर प्रत्येक टुकड़े के लिए व्यक्तिगत क्षेत्र उत्पन्न करने वाले दो अलग-अलग, जटिल कॉइल सेट की आवश्यकता होती है। इस तरह के भारी-भरकम, स्थानीय उपकरणों की आवश्यकता इन प्रयोगों को माइक्रोचिप के आकार तक छोटा करना कठिन बना देती है, जो व्यावहारिक तकनीक के लिए आवश्यक है।

जर्मनी में शोधकर्ताओं की एक टीम ने चुंबकीय सामग्रियों के आकार को बदलकर इस समस्या को हल करने का एक सरल तरीका खोजा है। दो चुंबकीय पट्टियों को ट्यून करने के लिए दो अलग-अलग कॉइल का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने परमलॉय (permalloy) नामक एक चुंबकीय धातु की दो लंबी, पतली पट्टियाँ एक एकल सुपरकंडक्टिंग तार के ऊपर रखीं। ये पट्टियाँ एक-दूसरे के समानांतर नहीं रखी गई थीं; इसके बजाय, उन्हें पचास डिग्री के कोण पर, एक 'V' आकार में रखा गया था। शोधकर्ताओं ने इन पतली पट्टियों के एक स्वाभाविक गुण का लाभ उठाया: क्योंकि वे लंबी और संकीर्ण हैं, उनका आंतरिक चुंबकत्व उनकी लंबाई के साथ संरेखित होने की प्राथमिकता रखता है। पूरे उपकरण को एक एकल, समान चुंबकीय क्षेत्र के भीतर घुमाकर, शोधकर्ता यह बदल सके कि वह क्षेत्र प्रत्येक पट्टी के साथ अलग-अलग कैसे व्यवहार करता है। जब क्षेत्र एक पट्टी के साथ संरेखित होता, तो वह पट्टी एक विशिष्ट आवृत्ति पर प्रतिध्वनित (resonate) होती। क्षेत्र को घुमाकर, वे बिना किसी अतिरिक्त तार या कॉइल के उस आवृत्ति को ऊपर या नीचे स्थानांतरित कर सकते थे।

यह प्रयोग परम शून्य (absolute zero) के करीब अत्यंत ठंडे तापमान पर आयोजित किया गया था, ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि सुपरकंडक्टिंग तार बिना किसी प्रतिरोध के बिजली प्रवाहित करे। टीम ने पहले तार पर एक एकल चुंबकीय पट्टी का परीक्षण किया और पुष्टि की कि यह वास्तव में सर्किट के माध्यम से यात्रा करने वाले माइक्रोवेव संकेतों के साथ मजबूती से जुड़ सकती है। उन्होंने ऊर्जा के एक स्पष्ट आदान-प्रदान को देखा जहाँ चुंबकीय कंपन और विद्युत तरंग आपस में मिल गए, जिससे सिग्नल में एक स्पष्ट अंतर (gap) पैदा हुआ जिसने यह सिद्ध किया कि वे एक-दूसरे से संवाद कर रहे हैं। इससे पुष्टि हुई कि उनका सेटअप एक मजबूत कपलिंग सिस्टम (strong coupling system) के रूप में काम करता है। इसके बाद वे अधिक जटिल सेटअप की ओर बढ़े जिसमें दो पट्टियाँ थीं। बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के कोण को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे दोनों पट्टियों को ठीक उसी आवृत्ति पर कंपन करने के लिए ट्यून कर सके, या दो पूरी तरह से अलग आवृत्तियों पर, केवल क्षेत्र को घुमाकर।

जब दोनों पट्टियाँ एक ही आवृत्ति पर ट्यून की गईं, तो वे केवल दो अलग-अलग चीजें बनकर नहीं रहीं; वे सुपरकंडक्टिंग तार के माध्यम से जुड़े एक एकल, एकीकृत तंत्र के रूप में कार्य करने लगीं। शोधकर्ताओं ने डेटा में एक जटिल पैटर्न देखा जहाँ दो चुंबकीय पट्टियों और तार ने तीन अलग-अलग अंतःक्रिया अवस्थाओं (states of interaction) का निर्माण किया। दो अवस्थाएँ उज्ज्वल और आसानी से पता लगाने योग्य थीं, जबकि तीसरी अवस्था, जहाँ दोनों पट्टियाँ विपरीत चरणों (phases) में कंपन करती हैं, उनके सेंसरों के लिए अदृश्य रही। इस अदृश्य अवस्था को 'डार्क मोड' (dark mode) के रूप में जाना जाता है, और इसकी उपस्थिति ने पुष्टि की कि दोनों पट्टियाँ तार के माध्यम से एक-दूसरे से संवाद कर रही हैं। इस जुड़ाव की ताकत महत्वपूर्ण थी, जिसमें ऊर्जा का आदान-प्रदान इतना तेज़ था कि वह सिस्टम के प्राकृतिक नुकसानों को भी मात दे सके।

इस कार्य का सबसे महत्वपूर्ण परिणाम नियंत्रण की विधि है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि दो चुंबकीय तत्वों को एक कोण पर व्यवस्थित करके और एक एकल घूमते हुए चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके, वे प्रत्येक तत्व के व्यवहार को स्वतंत्र रूप से ट्यून कर सकते हैं। यह दृष्टिकोण उन जटिल, स्थानीय बायस कॉइल्स (bias coils) की आवश्यकता को समाप्त करता है जिन्होंने पिछले प्रयोगों को कठिन बना दिया था। टीम ने दिखाया कि यह ज्यामिति चुंबकीय अनुनाद (magnetic resonance) पर सटीक नियंत्रण की अनुमति देती है, जिससे सिस्टम को दो अलग-अलग अनुनादों और एक एकल, विलयित अनुनाद के बीच स्विच करने में सक्षम बनाया जा सकता है। यह सरलता एकल चिप पर इन क्वांटम घटकों को प्लेनर डिवाइस (planar devices) में एकीकृत करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग का सुझाव देती है, जहाँ कई चुंबकीय तत्वों को प्रत्येक के लिए व्यक्तिगत वायरिंग के शोर-शराबे के बिना एक ही चिप पर नियंत्रित किया जा सकता है। यह कार्य सिद्ध करता है कि आकार और अभिविन्यास (orientation) को क्वांटम अंतःक्रियाओं को प्रबंधित करने के लिए शक्तिशाली उपकरणों के रूप में उपयोग किया जा सकता है, जो हाइब्रिड क्वांटम सिस्टम बनाने के लिए एक स्वच्छ, अधिक स्केलेबल मार्ग प्रदान करता है।