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

未来のコンピュータを構築するための探求において、科学者たちは、極めて微小なエネルギー単位を用いて情報を保存し、移動させる方法を探しています。有望な候補の一つは、マイクロ波フォトンのように、微小な電気回路の中に閉じ込められた光の粒子です。もう一つは、マグノンと呼ばれる、固体の中を移動する磁性の集団的な波です。これら二つの全く異なるものが強く相互作用するように強制されると、それらはエネルギーを互いに素早く交換し合い、一つのハイブリッド・システムへと変化します。この強い結合は、量子情報処理において不可欠であり、磁気メモリが超伝導回路と通信することを可能にする架け橋として機能します。しかし、これらの相互作用を制御することは困難です。通常、磁性材料をフォトンの通信に適した周波数で共鳴させるためには、磁場を印加しなければなりません。もし二つの別々の磁性片を同時に制御したい場合、通常はそれぞれの片に対して個別の磁場を発生させるための、二組の複雑なコイルが必要になります。このような嵩高い局所的な装置の必要性は、実験をマイクロチップのサイズまで小型化することを困難にしており、これは実用的な技術にとって不可欠な要素です。

ドイツの研究チームは、磁性材料自体の形状を変えることで、この問題を解決するよりシンプルな方法を見出しました。二つの磁性ストリップを調整するために二つの別々のコイルを使用する代わりに、彼らはパーマロイと呼ばれる磁性金属の細長いストリップ二本を、単一の超伝導線の上に配置しました。これらのストリップは平行に配置されるのではなく、五十度の角度をつけてV字型に配置されました。研究者たちは、これらの細いストリップが持つ自然な特性を利用しました。つまり、細長く狭いため、内部の磁性がその長手方向に沿って整列することを好むという性質です。デバイス全体を単一の均一な磁場の中で回転させることで、研究者たちは、その磁場が各ストリップとどのように異なる相互作用をするかを変化させることができました。磁場があるストリップに沿っているとき、そのストリップは特定の周波数で共鳴します。磁場を回転させることで、追加のワイヤーやコイルを必要とすることなく、その周波数を上下にシフトさせることができたのです。

実験は、超伝導線が抵抗なしで電流を流せるよう、絶対零度に近い極低温下で行われました。チームはまず、ワイヤー上の単一の磁性ストリップをテストし、それが回路を流れるマイクロ波信号と実際に強く結合できることを確認しました。彼らは、磁性の振動と電気的な波が融合して、信号に明確なギャップが生じるという、明らかなエネルギー交換を観察しました。これは、両者が互いに通信していることを証明するものでした。これにより、彼らのセットアップが強力な結合システムとして機能することが確認されました。次に、彼らはより複雑な二本のストリップを用いたセットアップへと進みました。外部磁場の角度を注意深く調整することで、彼らは二本のストリップを全く同じ周波数、あるいは全く異なる二つの周波数に、単に磁場を回転させるだけで調整できることができました。

二本のストリップが同じ周波数に調整されると、それらは単に二つの別々のものとして機能するのではなく、超伝導線を通じて接続された、一つの統一されたシステムとして機能しました。研究者たちは、二本の磁性ストリップとワイヤーが三つの異なる相互作用状態を作り出すという、データにおける複雑なパターンを観察しました。二つの状態は明るく検出が容易でしたが、三番目の状態、すなわち二本のストリップが逆位相で振動する状態は、センサーには見えないままでした。この目に見えない状態は「ダークモード」として知られており、その存在は、二本のストリップがワイヤーを通じて互いに通信していることを裏付けました。この接続の強さは顕著であり、エネルギー交換はシステムの自然な損失を克服できるほど速く行われました。

この研究の最も重要な成果は、制御の方法にあります。研究者たちは、二つの磁性要素を角度をつけて配置し、単一の回転磁場を用いることで、各要素の挙動を独立して調整できることを実証しました。この手法は、これまでの実験を困難にしてきた複雑な局所バイアスコイルを不要にします。チームは、この幾何学的配置によって磁気共鳴を精密に制御でき、システムを二つの独立した共鳴を持つ状態と、一つの融合した共鳴を持つ状態の間で切り替えられることを示しました。この簡便さは、複数の磁性要素を個別の配線の煩雑さなしに単一のチップ上で制御できる、プレーナ型デバイスへの明確な道筋を示唆しています。この研究は、形状と方向が量子相互作用を管理するための強力なツールとなり得ることを証明しており、ハイブリッド量子システムを構築するための、よりクリーンでスケーラブルなルートを提示しています。