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

미래의 컴퓨터를 구축하려는 탐구 과정에서, 과학자들은 가능한 가장 작은 에너지 단위를 사용하여 정보를 저장하고 이동시키는 방법을 찾고 있습니다. 유망한 후보 중 하나는 마이크로파 광자라고 알려진, 아주 작은 전기 회로 안에 갇힌 빛의 입자입니다. 또 다른 하나는 고체 물질을 통해 움직이는 자기적 파동의 집합체인 마그논(magnon)입니다. 이 두 가지 매우 다른 존재가 강력하게 상호작용하도록 강제되면, 이들은 에너지를 매우 빠르게 서로 주고받으며 하나의 하이브리드 시스템이 될 수 있습니다. 이러한 강력한 연결은 자기 메모리가 초전도 회로와 대화할 수 있게 해주는 가교 역할을 하며, 양자 정보 처리에 필수적입니다. 그러나 이러한 상호작용을 제어하는 것은 어렵습니다. 보통 마그논이 광자와 대화할 수 있는 적절한 주파수에서 공명하도록 자기 재료를 조율하려면 자기장을 가해야 합니다. 만약 두 개의 별개 자기 조각을 동시에 제어하고 싶다면, 일반적으로 각 조각에 개별적인 자기장을 생성하기 위한 두 개의 별도이고 복잡한 코일 세트가 필요합니다. 이러한 부피가 크고 국부적인 장비의 필요성은 실험을 마이크로칩 크기로 축소하는 것을 어렵게 만드는데, 이는 실용적인 기술을 위해 반드시 필요한 과정입니다.

독일의 한 연구팀은 자기 재료 자체의 모양을 바꿈으로써 이 문제를 해결할 수 있는 더 간단한 방법을 찾아냈습니다. 두 개의 자기 스트립을 조율하기 위해 두 개의 별도 코일을 사용하는 대신, 그들은 퍼말로이(permalloy)라고 불리는 자성 금속의 길고 가는 두 개의 스트립을 하나의 초전도 와이어 위에 배치했습니다. 이 스트립들은 서로 평행하게 배치되지 않았으며, 대신 50도 각도로 기울어져 V자 형태를 이루었습니다. 연구진은 이 얇은 스트립의 자연스러운 특성을 활용했습니다. 이 스트립들은 길고 가늘기 때문에 내부 자성이 그 길이를 따라 정렬되기를 선호합니다. 연구진은 장치 전체를 단일하고 균일한 자기장 내에서 회전시킴으로써, 그 자기장이 각 스트립과 다르게 상호작용하는 방식을 변화시킬 수 있었습니다. 자기장이 한 스트립과 일치할 때, 그 스트립은 특정 주파수에서 공명하게 됩니다. 자기장을 돌림으로써, 연구진은 추가적인 와이어나 코일 없이도 이 주파수를 높이거나 낮출 수 있었습니다.

실험은 초전도 와이어가 저항 없이 전류를 흘릴 수 있도록 절대 영도에 가까운 극저온에서 수행되었습니다. 연구팀은 먼저 와이어 위의 단일 자기 스트립을 테스트하여, 이것이 회로를 통해 흐르는 마이크로파 신호와 실제로 강력하게 결합할 수 있음을 확인했습니다. 그들은 자기 진동과 전기 파동이 하나로 합쳐져 뚜렷한 신호의 간극(gap)을 만들어내는 명확한 에너지 교환 현상을 관찰했으며, 이는 둘이 서로 대화하고 있음을 증명했습니다. 이를 통해 그들의 설정이 강력한 결합 시스템으로 작동함을 확인했습니다. 그 후 연구진은 두 개의 스트립이 있는 더 복잡한 설정으로 넘어갔습니다. 외부 자기장의 각도를 세심하게 조정함으로써, 그들은 자기장을 회전시키는 것만으로 두 스트립을 정확히 같은 주파수로 맞추거나, 혹은 완전히 다른 두 주파수로 맞출 수 있었습니다.

두 스트립이 같은 주파수로 조율되었을 때, 그것들은 단순히 두 개의 별개 존재로 작로하는 것이 아니라, 초전도 와이어를 통해 연결된 하나의 통합된 시스템으로서 작용했습니다. 연구진은 두 자기 스트립과 와이어가 세 가지 뚜렷한 상호작용 상태를 만들어내는 복잡한 데이터 패턴을 관찰했습니다. 두 가지 상태는 밝고 감지하기 쉬웠던 반면, 두 스트립이 서로 반대 위상으로 진동하는 세 번째 상태는 센서에 포착되지 않고 보이지 않는 상태로 남았습니다. 이 보이지 않는 상태는 '다크 모드(dark mode)'로 알려져 있으며, 이의 존재는 두 스트립이 와이어를 통해 서로 통신하고 있음을 확인시켜 주었습니다. 이 연결의 강도는 상당했으며, 에너지 교환은 시스템의 자연적인 손실을 극복할 만큼 빠르게 일어났습니다.

이 연구의 가장 중요한 결과는 제어 방법입니다. 연구진은 두 개의 자기 요소를 각도를 두어 배치하고 단일 회전 자기장을 사용함으로써, 각 요소의 행동을 독립적으로 조율할 수 있음을 입증했습니다. 이 방식은 이전의 실험들을 어렵게 만들었던 복잡한 국부 바이어스 코일의 필요성을 제거합니다. 연구팀은 이러한 기하학적 구조가 자기 공명에 대한 정밀한 제어를 가능하게 하여, 시스템이 두 개의 분리된 공명과 하나의 병합된 공명 사이를 전환할 수 있게 한다는 것을 보여주었습니다. 이러한 단순함은 여러 자기 요소가 개별적인 배선 없이도 단일 칩 위에서 제어될 수 있는 평면 소자(planar devices)로 통합되는 명확한 경로를 제시합니다. 이 연구는 모양과 방향이 양자 상호작용을 관리하는 강력한 도구로 사용될 수 있음을 입증하며, 하이브리드 양자 시스템을 구축하기 위한 더 깔끔하고 확장 가능한 경로를 제공합니다.