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

In de zoektocht naar het bouwen van de computers van de toekomst, zoeken wetenschappers naar manieren om informatie op te slaan en te verplaatsen met de kleinst mogelijke eenheden energie. Eén veelbelovende kandidaat is een lichtdeeltje dat gevangen zit in een minuscuul elektrisch circuit, bekend als een microgolffoton. Een andere is een collectieve magnetische rimpeling die door een vast materiaal beweegt, een magnoon genoemd. Wanneer deze twee zeer verschillende zaken gedwongen worden om sterk met elkaar te interageren, kunnen ze energie zo snel naar elkaar uitwisselen dat ze één hybride systeem vormen. Deze sterke verbinding is essentieel voor kwantuminformatieverwerking, omdat het fungeert als een brug die magnetisch geheugen laat communiceren met supergeleidende circuits. Het controleren van deze interacties is echter moeilijk. Normaal gesproken moeten onderzoekers een magnetisch materiaal afstemmen zodat het resoneert op de juiste frequentie om met een foton te communiceren, door een magnetisch veld toe te passen. Als ze twee afzonderlijke magnetische stukken tegelijkertijd willen aansturen, hebben ze doorgaans twee aparte, complexe sets spoelen nodig om individuele velden voor elk stuk te generen. Deze vereiste voor volumineuze, lokale apparatuur maakt het moeilijk om deze experimenten te verkleinen tot de omvang van een microchip, wat noodzakelijk is voor praktische technologie.

Een team van onderzoekers in Duitsland heeft een eenvoudigere manier gevonden om dit probleem op te lossen door de vorm van de magnetische materialen zelf te veranderen. In plaats van twee aparte spoelen te gebruiken om twee magnetische stroken af te stemmen, plaatsten ze twee lange, dunne stroken van een magnetisch metaal genaamd permalloy bovenop een enkele supergeleidende draad. Deze stroken werden niet parallel aan elkaar geplaatst; in plaats daarvan stonden ze onder een hoek van vijftig graden, in een V-vorm. De onderzoekers maakten gebruik van een natuurlijke eigenschap van deze dunne stroken: omdat ze lang en smal zijn, geeft hun interne magnetisme er de voorkeur aan om langs hun lengte te worden uitgelijnd. Door het gehele apparaat in een enkel, uniform magnetisch veld te roteren, konden de onderzoekers veranderen hoe het veld verschillend met elke strook interageerde. Wanneer het veld uitgelijnd was met één strook, zou die strook op een specifieke frequentie resoneren. Door het veld te draaien, konden ze die frequentie omhoog of omlaag verschuiven zonder dat daar extra draden of spoelen voor nodig waren.

Het experiment werd uitgevoerd bij extreem lage temperaturen, nabij het absolute nulpunt, om ervoor te zorgen dat de supergeleidende draad elektriciteit zonder weerstand kon geleiden. Het team testte eerst een enkele magnetische strook op de draad en bevestigde dat deze inderdaad sterk kon koppelen met de microgolfsignalen die door het circuit reisden. Ze observeerden een duidelijke energie-uitwisseling waarbij de magnetische trilling en de elektrische golf versmolten, wat een duidelijke inkeping in het signaal creëerde dat bewees dat ze met elkaar in contact stonden. Dit bevestigde dat hun opstelling werkte als een sterk koppelingssysteem. Vervolgens gingen ze over naar de complexere opstelling met twee stroken. Door de hoek van het externe magnetische veld zorgvuldig aan te passen, konden ze de twee stroken afstemmen om op exact dezelfde frequentie te trillen, of op twee volkomen verschillende frequenties, simpelweg door het veld te roteren.

Wanneer de twee stroken op dezelfde frequentie werden afgestemd, gedroegen ze zich niet alleen als twee afzonderlijke dingen; ze gedroegen zich als één verenigd systeem dat via de supergeleidende draad verbonden is. De onderzoekers observeerden een complex patroon in de data waarbij de twee magnetische stroken en de draad drie verschillende toestanden van interactie creëerden. Twee van deze toestanden waren helder en gemakkelijk te detecteren, terwijl een derde toestand, waarbij de twee stroken in tegenovergestelde fasen trilden, onzichtbaar bleef voor hun sensoren. Deze onzichtbare toestand staat bekend als een 'dark mode' (donkere modus), en de aanwezigheid ervan bevestigde dat de twee stroken via de draad met elkaar communiceerden. De sterkte van deze verbinding was aanzienlijk, waarbij de energie-uitwisseling snel genoeg gebeurde om de natuurlijke verliezen in het systeem te overwinnen.

Het belangrijkste resultaat van dit werk is de methode van controle. De onderzoekers hebben aangetoond dat door twee magnetische elementen onder een hoek te plaatsen en een enkel roterend magnetisch veld te gebruiken, ze elk element onafhankelijk van elkaar kunnen afstemmen. Deze aanpak elimineert de noodzaak voor de ingewikkelde, lokale bias-spoelen die eerdere experimenten moeilijk schaalbaar hadden gemaakt. Het team liet zien dat deze geometrie nauwkeurige controle over de magnetische resonantie mogelijk maakt, waardoor het systeem kan schakelen tussen het hebben van twee afzonderlijke resonanties en een enkele, samengevoegde resonantie. Deze eenvoud suggereert een duidelijke weg voorwaarts voor het integreren van deze kwantumcomponenten in planaire apparaten, waar meerdere magnetische elementen op een enkele chip kunnen worden aangestuurd zonder de rommel van individuele bedrading voor elk element. Het werk bewijst dat vorm en oriëntatie gebruikt kunnen worden als krachtige instrumenten om kwantuminteracties te beheren, wat een schonere, meer schaalbare route biedt naar het bouwen van hybride kwantumsystemen.