Strong coupling between propagating spin wave and microwave photons in a superconducting resonator

기술 요약: 초전도 공진기 내 전파 스핀 파동과 마이크로파 광자 간의 강한 결합

문제 제기
하이브리드 마그논ics는 고체 상태의 자기적 흥분(마그논)을 마이크로파 광자와 결합함으로써 양자 정보 처리를 위한 다각적인 플랫폼을 제공하지만, 실험적 입증은 주로 균일한 집단적 스핀 흥분인 키텔 모드(Kittel modes)에 집중되어 왔다. 고급 양자 기능—예를 들어 온칩 격리기를 위한 고유한 마그논 비가역성이나 스핀 파동 매개 얽힘—에 필요한 독특한 재료 특성은 전파되는 스핀 파동에 의존한다. 그러나 특히 극저온에서 전파되는 스핀 파동을 공동 마그논ics(cavity magnonics) 내에서 탐구하는 것은 여전히 도전 과제로 남아 있다. 금속 페리자극체는 저온에서 향상된 전도성 유사 댐핑을 겪는다. 또한, 표준적인 저댐핑 자기 절연체인 이트륨 철 가넷(YIG)은 일반적으로 가돌리늄 갈륨 가넷(GGG) 기판 위에 성장하는데, GGG는 극저온에서 복잡한 자기 정렬과 강한 마이크로파 흡수를 보여 초전도 회로와의 통합을 저해한다.

방법론
이러한 과제를 해결하기 위해, 저자들은 전파되는 스핀 파동과 마이크로파 광자를 통합하는 초전도 하이브리드 마그논 회로를 개발하였다. 실험적 접근 방식에는 다음과 같은 핵심 단계가 포함된다:

• 기판 및 박막 성장: 저자들은 자기적 복잡성을 피하기 위해 희토류가 없는 Y3Sc2Ga3O12 (YSGG) 기판 위에 스퍼터링 방식으로 YIG 박막을 성장시켰다. 이 선택은 저온에서 GGG의 자기적 문제를 방지한다. 박막은 850 °C에서 어닐링되었으며, 투과 전자 현미경(TEM)을 통해 높은 에피택셜 품질을 확인하였다.
• 소자 제작: YIG 박막 위에 NbN 초전도 층을 사용하여 초전도 코플래너 도파로(CPW) 공진기를 직접 제작하였다. 자기 근접 효과를 최소화하기 위해, YIG와 NbN 사이에 10 nm의 SiN 완충층을 증착하였다. 두 가지 공진기 기하 구조가 설계되었다: 직선형 1/4 파장($\lambda/4$) 공진기와 미앤더(meander) 공진기이다. 두 구조 모두 짧은 파장의 스핀 파동 모드와 일치하도록 마이크로미터 규모의 신호선 폭(0.5 ~ 2 $\mu$m 범위)을 갖추면서도, 마이크로파 광자와 공진할 수 있도록 밀리미터 규모의 길이를 유지하였다.
• 측정: 벡터 네트워크 분석기(VNA) 분광법을 사용하여 인플레인 자기장 하에서의 투과 스펙트럼을 측정하였다. 연구에서는 데이먼-에쉬바흐(Damon-Eshbach, DE) 및 역방향 부피(backward-volume, BV) 스핀 파동 구성을 조사하였다. 비가역성을 조사하기 위해, 미앤더 공진기에 인접하여 방사되는 스핀 파동을 감지할 수 있는 병렬 CPW 커플러를 제작하였다.

주요 기여 및 결과

• 강한 결합 달성: 본 연구는 전파되는 스핀 파동 모드와 마이크로파 광자 사이의 강한 결합을 입증하였으며, 결합 강도($g$)가 마그논($\kappa_m$) 및 광자($\kappa_c$) 댐핑률을 모두 초과함을 보여주었다.
  • $\lambda/4$ 공진기($w=2$ $\mu$m)의 경우, 추출된 결합 강도는 $g/2\pi = 115$ MHz였으며, 마그논 댐핑률은 $\kappa_m/2\pi = 70$ MHz였다.
  • 격자 정합성이 개선된 박막을 사용한 미앤더 공진기($w=1$ $\mu$m)의 경우, DE 모드에 대해 결합 강도가 $g/2\pi = 150$ MHz에 도달하였고, 감소된 마그논 댐핑률 $\kappa_m/2\pi = 34$ MHz를 기록하였다.
• 모드 식별 및 분산: 연구진은 공진기 모드와 특정 스핀 파동 모드 사이의 회피 교차(avoided crossings)를 관찰하였다. 스핀 파동 모드는 이론적 분산과 일치하는 주파수 오프셋을 나타냈는데, DE 모드의 경우 양(+)의 오프셋을, BV 모드의 경우 음(-)의 오프셋을 보였다. 또한, 수직 정지 스핀 파동(PSSW) 모드가 관찰되었으며, 미앤더 기하 구조는 증가된 마이크로파 장 불균일성 덕분에 이러한 모드와의 결합을 강화하였다.
• 비가역성: 커플러를 수정함으로써, 저자들은 DE 구성에서 하이브리드 마그논 모드의 비가역적 투과를 시연하였다. 순방향($S_{21}$) 및 역방향($S_{12}$) 투과 사이에서 4 dB의 전력 격리(isolation)가 측정되었으며, 이는 자기장을 반대로 돌렸을 때 역전되었다. 이는 하이브리드 시스템에 고유한 스핀 파동 비가역성이 통합되었음을 확인시켜 준다.
• 정량적 분석: 추출된 결합 강도와 선폭은 이론적 모델에 따라 분석되었다. 미앤더 공진기에서 DE 모드의 협력도(cooperativity, $C = g^2/\kappa_c\kappa_m$)는 622, BV 모드는 294로 계산되었으며, 이는 시스템이 확고하게 강한 결합 영역에 있음을 나타낸다. 본 연구는 또한 스핀 파동 복사 댐핑을 추정하였으며, 이것이 고유 마그논 완화보다 작다는 것을 발견하여 현재의 소자에서는 고유 댐핑이 지배적임을 확인하였다.

의의
본 논문은 이러한 결과가 스핀 파동 마그논ics를 공동 마그논ics와 통합하는 새로운 길을 열어준다고 주장한다. YIG/YSGG 하이브리드 회로를 사용하여 극저온에서 전파되는 스핀 파동과의 강한 결합을 성공적으로 달성함으로써, 이 연구는 공동 마그논ics의 범위를 균일한 키텔 모드를 넘어 확장하였다. 고유 비가역성의 시연은 온칩 격리기와 같은 응용 분야를 위한 하이브리드 시스템에 이러한 특성을 통합할 수 있는 잠재력을 강조한다. 또한, 측면 스핀 파동 가둠 없이도 강한 결합을 달고 할 수 있는 능력은 양자 정보 과학을 위한 극저온 하이브리드 마그논 회로, 즉 양자 마그논 동작 및 센싱을 위한 잠재적 응용 분야를 구축하는 경로를 제시한다.