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

Resumo Técnico: Acoplamento Forte entre Ondas de Spin Propagantes e Fótons de Micro-ondas em um Ressonador Supercondutor

Definição do Problema
Embora a magnônica híbrida ofereça uma plataforma versátil para o processamento de informação quântica ao acoplar excitações magnéticas de estado sólido (magnons) com fótons de micro-ondas, as demonstrações experimentais concentraram-se predominantemente em excitações de spin coletivas uniformes conhecidas como modos Kittel. As propriedades materiais únicas necessárias para funcionalidades quânticas avançadas — como a não-reciprocidade intrínseca de magnons para isoladores em chip e o emaranhamento mediado por ondas de spin — dependem de ondas de spin propagantes. No entanto, explorar ondas de spin propagantes na magnônica de cavidade, particularmente em temperaturas criogênicas, permanece um desafio. Ferromagnetos metálicos sofrem com o aumento do amortecimento do tipo condutividade em baixas temperaturas. Além disso, o isolante magnético de baixo amortecimento padrão, o granada de ferro e ítrio (YIG), é tipicamente cultivado em substratos de granada de gadolínio e gálio (GGG), que exibem ordenamento magnético complexo e forte absorção de micro-ondas em temperaturas criogênicas, dificultando a integração com circuitos supercondutores.

Metodologia
Para enfrentar esses desafios, os autores desenvolveram circuitos magnônicos híbridos supercondutores integrando ondas de spin propagantes com fótons de micro-ondas. A abordagem experimental envolveu as seguintes etapas principais:

• Crescimento de Filmes e Substrato: Filmes finos de YIG foram crescidos via sputtering sobre substratos de Y3Sc2Ga3O12 (YSGG) livres de terras raras. Esta escolha evita as complicações magnéticas do GGG em baixas temperaturas. Os filmes foram recozidos a 850 °C e confirmados como tendo alta qualidade epitaxial via microscopia eletrônica de transmissão (TEM).
• Fabricação do Dispositivo: Ressonadores de guia de onda coplanar (CPW) supercondutores foram fabricados diretamente sobre os filmes de YIG usando uma camada supercondutora de NbN. Para minimizar os efeitos de proximidade magnética, uma camada de buffer de SiN de 10 nm foi depositada entre o YIG e o NbN. Duas geometrias de ressonador foram projetadas: um ressonador reto de um quarto de comprimento de onda ($\lambda/4$) e um ressonador meandrado. Ambos apresentaram larguras de linha de sinal em escala micrométrica (variando de 0,5 a 2 $\mu$m) para corresponder aos modos de onda de spin de comprimento de onda curto, mantendo simultaneamente comprimentos da escala milimétrica para ressonar com fótons de micro-ondas.
• Medição: A espectroscopia de Analisador de Redes Vetoriais (VNA) foi empregada para medir os espectros de transmissão sob campos magnéticos no plano. O estudo examinou tanto as configurações de onda de spin Damon-Eshbach (DE) quanto as de volume de retrocesso (BV). Para investigar a não-reciprocidade, um acoplador CPW paralelo foi fabricado adjacente ao ressonador meandrado para detectar ondas de spin radiadas.

Principais Contribuições e Resultados

• Alcance do Acoplamento Forte: O estudo demonstra o acoplamento forte entre modos de onda de spin propagantes e fótons de micro-ondas, com forças de acoplamento ($g$) excedendo as taxas de amortecimento de magnons ($\kappa_m$) e de fótons ($\kappa_c$).
  • Para o ressonador $\lambda/4$ ($w=2$ $\mu$m), uma força de acoplamento de $g/2\pi = 115$ MHz foi extraída, com uma taxa de amortecimento de magnons de $\kappa_m/2\pi = 70$ MHz.
  • Para o ressonador meandrado ($w=1$ $\mu$m), utilizando filmes com melhor ajuste de rede, o acoplamento alcançou $g/2\pi = 150$ MHz para modos DE, com uma taxa de amortecimento de magnons reduzida para $\kappa_m/2\pi = 34$ MHz.
• Identificação de Modos e Dispersão: Os pesquisadores observaram cruzamentos evitados entre o modo do ressonador e modos específicos de onda de spin. Os modos de onda de spin exibiram deslocamentos de frequência em relação ao modo quasi-Kittel consistentes com dispersões teóricas: um deslocamento positivo para modos DE e um deslocamento negativo para modos BV. Adicionalmente, modos de onda de spin estacionária perpendicular (PSSW) foram observados, com a geometria meandrada aumentando o acoplamento a esses modos devido ao aumento da inhomogeneidade do campo de micro-ondas.
• Não-Reciprocidade: Ao modificar o acoplador de detecção, os autores demonstraram transmissão não-recíproca no modo magnônico híbrido sob a configuração DE. Uma isolação de potência de 4 dB foi medida entre a transmissão direta ($S_{21}$) e reversa ($S_{12}$), a qual se inverteu ao inverter o campo magnético. Isso confirma a integração da não-reciprocidade intrínseca de onda de spin no sistema híbrido.
• Análise Quantitativa: As forças de acoplamento e larguras de linha extraídas foram analisadas contra modelos teóricos. A cooperatividade ($C = g^2/\kappa_c\kappa_m$) foi calculada como sendo 662 para o modo DE e 294 para o modo BV no ressonador meandrado, posicionando firmemente o sistema no regime de acoplamento forte. O estudo também estimou o amortecimento por radiação de onda de spin, encontrando que este é menor que o relaxamento intrínseco de magnons, indicando que o amortecimento intrínseco domina nos dispositivos atuais.

Significância
O artigo afirma que estes resultados abrem novos caminhos para integrar a magnônica de onda de spin com a magnônica de cavidade. Ao alcançar com sucesso o acoplamento forte com ondas de spin propagantes em temperaturas criogênicas usando circuitos híbridos YIG/YSGG, o trabalho estende o escopo da magnônica de cavidade além dos modos Kittel uniformes. A demonstração da não-reciprocidade intrínseca destaca o potencial de incorporar tais propriedades em sistemas híbridos para aplicações como isoladores em chip. Além disso, a capacidade de atingir acoplamento forte sem confinamento lateral de onda de spin sugere um caminho para a construção de circuitos magnônicos híbridos criogênicos para a ciência da informação quântica, incluindo potenciais aplicações em operações magnônicas quânticas e sensoriamento.