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

Na busca para construir os computadores do futuro, cientistas estão procurando maneiras de armazenar e mover informações usando as menores unidades possíveis de energia. Um candidato promissor é uma partícula de luz aprisionada dentro de um minúsculo circuito elétrico, conhecida como fóton de micro-ondas. Outro é uma ondulação coletiva de magnetismo movendo-se através de um material sólido, chamada de magnon. Quando essas duas coisas muito diferentes são forçadas a interagir fortemente, elas podem trocar energia de ida e volta tão rapidamente que se tornam um sistema híbrido único. Essa conexão forte é essencial para o processamento de informação quântica, atuando como uma ponte que permite que a memória magnética converse com circuitos supercondutores. No entanto, controlar essas interações é difícil. Normalmente, para ajustar um material magnético para que ele ressoe na frequência certa para conversar com um fóton, os pesquisadores devem aplicar um campo magnético. Se eles quiserem controlar duas peças magnéticas separadas ao mesmo tempo, tipicamente precisam de dois conjuntos distintos e complexos de bobinas para gerar campos individuais para cada peça. Essa exigência de equipamentos locais volumosos torna difícil reduzir esses experimentos ao tamanho de um microchip, o que é necessário para a tecnologia prática.

Uma equipe de pesquisadores na Alemanha encontrou uma maneira mais simples de resolver este problema mudando a própria forma dos materiais magnéticos. Em vez de usar duas bobinas separadas para ajustar duas tiras magnéticas, eles colocaram duas tiras longas e finas de um metal magnético chamado permalloy sobre um único fio supercondutor. Essas tiras não foram colocadas paralelas entre si; em vez disso, foram anguladas em cinquenta graus, formando um formato em V. Os pesquisadores exploraram uma propriedade natural dessas tiras finas: como são longas e estreitas, seu magnetismo interno prefere alinhar-se ao longo de seu comprimento. Ao rotacionar todo o dispositivo dentro de um campo magnético único e uniforme, os pesquisadores puderam mudar como o campo interagia com cada tira de forma diferente. Quando o campo estava alinhado com uma tira, essa tira ressoava em uma frequência específica. Ao girar o campo, eles podiam deslocar essa frequência para cima ou para baixo sem a necessidade de fios ou bobinas extras.

O experimento foi conduzido em temperaturas extremamente baixas, próximas ao zero absoluto, para garantir que o fio supercondutor conduzisse eletricidade sem resistência. A equipe primeiro testou uma única tira magnética no fio e confirmou que ela poderia, de fato, acoplar-se fortemente com os sinais de micro-ondas que viajam pelo circuito. Eles observaram uma clara troca de energia onde a vibração magnética e a onda elétrica se fundiram, criando uma lacuna distinta no sinal que provou que estavam conversando entre si. Isso confirmou que sua configuração funcionava como um sistema de acoplamento forte. Em seguida, passaram para a configuração mais complexa com duas tiras. Ao ajustar cuidadosamente o ângulo do campo magnético externo, eles pudram ajustar as duas tiras para vibrarem exatamente na mesma frequência, ou em duas frequências completamente diferentes, simplesmente rotacionando o campo.

Quando as duas tiras foram ajustadas para a mesma frequência, elas não agiram apenas como duas coisas separadas; elas agiram como um sistema único e unificado conectado através do fio supercondutor. Os pesquisadores observaram um padrão complexo nos dados onde as duas tiras magnéticas e o fio criaram três estados distintos de interação. Dois desses estados eram brilhantes e fáceis de detectar, enquanto um terceiro estado, onde as duas tiras vibravam em fases opostas, permanecia invisível para seus sensores. Este estado invisível é conhecido como modo escuro (dark mode), e sua presença confirmou que as duas tiras estavam se comunicando entre si através do fio. A força dessa conexão foi significativa, com a troca de energia ocorrendo rápido o suficiente para superar as perdas naturais no sistema.

O resultado mais importante deste trabalho é o método de controle. Os pesquisadores demonstraram que, ao organizar dois elementos magnéticos em um ângulo e usar um único campo magnético rotativo, eles podiam ajustar independentemente o comportamento de cada elemento. Esta abordagem remove a necessidade das complicadas bobinas de polarização locais que tornaram experimentos anteriores difíceis de escalar. A equipe mostrou que esta geometria permite o controle preciso sobre a ressonância magnética, possibilitando que o sistema alterne entre ter duas ressonâncias separadas e uma única ressonância fundida. Esta simplicidade sugere um caminho claro para integrar esses componentes quânticos em dispositivos planares, onde múltiplos elementos magnéticos poderiam ser controlados em um único chip sem a desordem da fiação individual para cada um. O trabalho prova que a forma e a orientação podem ser usadas como ferramentas poderosas para gerenciar interações quânticas, oferecendo uma rota mais limpa e escalável para a construção de sistemas quânticos híbridos.