Low magnon damping of a EuSe film down to millikelvin temperatures
Deze studie toont aan dat epitaxiale EuSe-films een uitzonderlijk lage magnon-demping vertonen bij millikelvin-temperaturen, met een bovengrens voor de Gilbert-dempingsparameter van en een magnon-levensduur van 2 ns, wat hen veelbelovende kandidaten maakt voor hybride kwantumsystemen en kwantummagnonica.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In de zoektocht naar het bouwen van de volgende generatie kwantumcomputers, zoeken wetenschappers naar materialen die informatie kunnen dragen zonder deze te verliezen aan warmte of ruis. Een veelbelovende kandidaat voor deze rol is de magnoon, een piepkleine rimpeling van magnetisme die door een vast materiaal reist als een golf op een vijver. In tegen tegenstelling tot elektronen, die de standaarddragers van elektriciteit zijn, vereisen magnonen geen stroom van lading, wat ze ideaal maakt voor gebruik in isolerende materialen waar ze kunnen interageren met supergeleidende circuits en licht. Echter, om deze rimpelingen nuttig te zijn in een kwantummachine, moeten ze lang genoeg overleven om hun werk te doen. Dit vereist materialen waarbij de rimpelingen niet snel wegsterven, een eigenschap die bekend staat als lage demping. Hoewel een materiaal genaamd yttriumijkgarnet al lang de kampioen op dit gebied is, heeft het een aanzienlijk gebrek wanneer het wordt afgekoeld tot de extreme temperaturen die nodig zijn voor kwantumexperimenten: het interageert met zijn omgeving op een manier die ervoor zorgt dat het energie verliest. Onderzoekers zoeken daarom naar een nieuwe klasse magnetische halfgeleiders die hun helderheid kunnen behouden, zelfs bij temperaturen die slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt liggen.
Een team natuurkundigen heeft nu zijn aandacht gericht op een specif으로 materiaal genaamd europiumselenide, een verbinding die zich gedraagt als een magnetische halfgeleider. Dit materiaal is uniek omdat de magnetische eigenschappen voortkomen uit elektronen die stevig aan hun atomen zijn gebonden, in plaats van vrij te stromen zoals in een metaal. Deze structuur suggereert dat het materiaal van nature weerstand moet bieden tegen de interne wrijving die magnetische golven normaal gesproken doodt. Om dit te testen, kweekten de onderzoekers een dunne, hoogwaardige film van europiumselenide op een speciale kristalbasis die de magnetisme niet verstoort. Vervolgens plaatsten ze deze film in een mengkoelkast, een machine die in staat is om monsters af te koelen tot temperaturen zo laag als 30 millikelvin, wat kouder is dan de diepe ruimte. In deze ijskoude omgeving gebruikten ze microgolven om de magnetische golven te exciteren en maten ze zorgvuldig hoe lang die golven duurden voordat ze wegstierven.
De resultaten toonden een opvallend verschil tussen dit nieuwe materiaal en de traditionele favorieten. In de meeste magnetische materialen verliezen de golven sneller energie naarmendig dat de frequentie van het signaal toeneemt, een gedrag dat hun bruikbaarheid beperkt. In tegenstelling hiertoe werden de golven in de europiumselenide-film scherper en stabieler naarmate de frequentie en het toegepaste magnetische veld toenamen. Wanneer de onderzoekers de film afkoelden tot 30 millikelvin en deze onderwierpen aan een sterk magnetisch veld, ontdekten ze dat de golven twee miljardsten van een seconde overleefden. Dit is een opmerkelijk lange tijd voor een dergelijke kleine rimpeling, wat overeenkomt met een niveau van energieverlies dat tot de laagste behoort die ooit voor een dunne film is geregistreerd. Het team berekende dat de intrinsieke wrijving binnen het materiaal zo laag is dat het bijna net zo goed is als de beste bulkkristallen die ooit zijn gemaakt, wat suggereert dat de film zelf van uitzonderlijke kwaliteit is.
Cruciaal was dat de onderzoekers ontdekten dat dit lage niveau van energieverlies niet veranderde naarmate de temperatuur steeg van 30 millikelvin naar 750 millikelvin. Deze stabiliteit is essentieel omdat het bewijst dat de golven niet worden verstrooid door willekeurige thermische trillingen of door het magnetische substraat eronder, een probleem dat andere materialen teistert. In plaats daarvan lijkt de resterende verliezen te komen van kleine, vaste imperfecties in de film, zoals minieme variaties in dikte of rondtrekkende atomen, in plaats van uit de fundamentele aard van het materiaal zelf. De studie toonde ook aan dat het materiaal kan worden geschakeld tussen verschillende magnetische toestanden met behulp van zeer zwakke magnetische velden, waardoor het kan fungeren als een magneet met geen netto magnetisch veld wanneer het is uitgeschakeld, of als een sterke magneet wanneer het aan staat. Dit vermogen om tussen toestanden te schakelen zonder restmagnetische velden te genereren, maakt het een ideale partner voor delicate supergeleidende componenten.
De bevindingen suggereren dat europiumselenide een krachtig nieuw instrument is voor het opkomende veld van de kwantummagnonica. Door de capaciteit om magnetische golven te dragen met zeer lage energieverlies te combineren met het vermogen om op ultra-lage temperaturen te werken en de flexibiliteit om van magnetische staat te veranderen, biedt dit materiaal een pad voorwaarts voor het bouwen van hybride kwantumsystemen. Hoewel de huidige film nog steeds ruimte heeft voor verbetering vergeleken met de puurste kristallen die in de natuur worden gevonden, tonen de resultaten aan dat het potentieel van het materiaal echt en toegankelijk is. Het werk opent de deur naar het gebruik van deze magnetische halfgeleiders niet alleen als passieve componenten, maar als actieve, regelbare onderdelen van toekomstige kwantumapparaten, waarmee de brug wordt geslagen tussen supergeleidende circuits en de magnetische wereld.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.