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

Nella ricerca per costruire i computer del futuro, gli scienziati stanno cercando modi per archiviare e spostare informazioni utilizzando le unità di energia più piccole possibili. Un candidato promettente è una particella di luce intrappolata all'interno di un minuscolo circuito elettrico, nota come fotone a microonde. Un altro è un'increspatura collettiva del magnetismo che si muove attraverso un materiale solido, chiamata magnone. Quando queste due cose molto diverse sono costrette a interagire fortemente, possono scambiare energia avanti e indietro così velocemente da diventare un unico sistema ibrido. Questa connessione forte è essenziale per l'elaborazione dell'informazione quantistica, agendo come un ponte che permette alla memoria magnetica di comunicare con i circuiti superconduttori. Tuttavia, controllare queste interazioni è difficile. Di solito, per sintonizzare un materiale magnetico affinché risuoni alla frequenza corretta per comunicare con un fotone, i ricercatori devono applicare un campo magnetico. Se vogliono controllare due pezzi magnetici separati contemporaneamente, tipicamente hanno bisogno di due set separati e complessi di bobine per generare campi individuali per ciascun pezzo. Questo requisito di apparecchiature locali ingombranti rende difficile ridurre queste sperimentazioni alle dimensioni di un microchip, il che è necessario per la tecnologia pratica.

Un team di ricercatori in Germania ha trovato un modo più semplice per risolvere questo problema cambiando la forma dei materiali magnetici stessi. Invece di usare due bobine separate per sintonizzare due strisce magnetiche, hanno posizionato due lunghe e sottili strisce di un metallo magnetico chiamato permalloy sopra un singolo filo superconduttore. Queste strisce non erano poste parallelamente tra loro; invece, erano angolate a cinquanta gradi, formando una forma a V. I ricercatori hanno sfruttato una proprietà naturale di queste sottili strisce: poiché sono lunghe e strette, il loro magnetismo interno preferisce allinearsi lungo la loro lunghezza. Ruotando l'intero dispositivo all'interno di un singolo campo magnetico uniforme, i ricercatori potevano cambiare il modo in cui il campo interagiva con ciascuna striscia in modo diverso. Quando il campo era allineato con una striscia, quella striscia risuonava a una frequenza specifica. Ruotando il campo, potevano spostare questa frequenza verso l'alto o verso il basso senza la necessità di fili o bobine aggiuntive.

L'esperimento è stato condotto a temperature estremamente fredde, vicine allo zero assoluto, per garantire che il filo superconduttore trasportasse elettricità senza alcuna resistenza. Il team ha prima testato una singola striscia magnetica sul filo e ha confermato che poteva effettivamente accoppiarsi fortemente con i segnali a microonde che viaggiano attraverso il circuito. Hanno osservato uno scambio chiaro di energia dove la vibrazione magnetica e l'onda elettrica si fondevano, creando un netto divario nel segnale che provava il fatto che stessero comunicando tra loro. Ciò ha confermato che la loro configurazione funzionava come un sistema di accoppiamento forte. Sono poi passati alla configurazione più complessa con due strisce. Regolando attentamente l'angolo del campo magnetico esterno, potevano sintonizzare le due strisce per farle vibrare esattamente alla stessa frequenza, o a due frequenze completamente diverse, semplicemente ruotando il campo.

Quando le due strisce erano sintonizzate sulla stessa frequenza, non agivano solo come due cose separate; agivano come un unico sistema unificato connesso attraverso il filo superconduttore. I ricercatori hanno osservato un modello complesso nei dati dove le due strisce magnetiche e il filo creavano tre distinti stati di interazione. Due di questi stati erano brillanti e facili da rilevare, mentre un terzo stato, in cui le due strisce vibravano in fasi opposte, rimaneva invisibile ai loro sensori. Questo stato invisibile è noto come modo oscuro (dark mode), e la sua presenza ha confermato che le due strisce stavano comunicando tra loro attraverso il filo. La forza di questa connessione era significativa, con lo scambio di energia che avveniva abbastanza velocemente da superare le perdite naturali del sistema.

Il risultato più importante di questo lavoro è il metodo di controllo. I ricercatori hanno dimostrato che disponendo due elementi magnetici ad un angolo e utilizzando un singolo campo magnetico rotante, potevano sintonizzare indipendentemente il comportamento di ciascun elemento. Questo approccio elimina la necessità delle complicate bobine di polarizzazione locale che hanno reso difficili i precedenti esperimenti di scala. Il team ha dimostrato che questa geometria consente un controllo preciso sulla risonanza magnetica, permettendo al sistema di passare dallamente dall'avere due risonanze separate a una singola risonanza unificata. Questa semplicità suggerisce una via chiara per integrare questi componenti quantistici in dispositivi planari, dove molteplici elementi magnetici potrebbero essere controllati su un singolo chip senza l'ingombro della cablatura individuale per ciascuno di essi. Il lavoro dimostra che la forma e l'orientamento possono essere usati come potenti strumenti per gestire le interazioni quantistiche, offrendo una via più pulita e scalabile per costruire sistemi quantistici ibridi.