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

在追求构建未来计算机的过程中，科学家们正在寻找利用最小能量单位来存储和传输信息的方法。一个极具前景的候选者是困在微小电路中的光子，即微波光子。另一个则是通过固体材料移动的磁性集体涟漪，称为磁振子。当这两种截然不同的事物被强制进行强相互作用时，它们可以如此快速地交换能量，以至于变成一个单一的混合系统。这种强连接对于量子信息处理至关重要，它充当了一座桥梁，允许磁性存储器与超导电路进行通信。然而，控制这些相互作用非常困难。通常，为了调节磁性材料使其在正确的频率上产生共振以与光子通信，研究人员必须施加磁场。如果他们想要同时控制两个独立的磁性部分，通常需要两套单独且复杂的线圈来为每个部分产生独立的磁场。这种对笨重、局部设备的依赖，使得将这些实验缩小到微芯片大小变得十分困难，而这对于实际应用技术是必要的。

德国的一个研究小组通过改变磁性材料本身的形状，找到了解决这一问题的更简单的方法。他们没有使用两个单独的线圈来调节两条磁性条纹，而是将两条长而薄的名为坡莫合金（permalloy）的磁性金属条放置在一个单一的超导导线之上。这些条纹并非平行放置，而是以五十度的角度排列，形成一个V形。研究人员利用了这些薄条纹的一个自然特性：由于它们又长又窄，其内部磁性倾向于沿其长度方向排列。通过在单一均匀磁场中旋转整个装置，研究人员可以改变磁场与每条条纹之间的相互作用方式。当磁场与其中一条条纹对齐时，该条纹会在特定频率下产生共振。通过转动磁场，他们可以在不需要任何额外导线或线圈的情况下，使该频率向上或向下偏移。

实验是在接近绝对零度的极低温度下进行的，以确保超导导线在无电阻的情况下传输电流。团队首先测试了导线上的单条磁性条纹，并确认它确实能与流经电路的微波信号产生强耦合。他们观察到了清晰的能量交换过程，即磁性振动与电波融合，产生了一个明显的信号间隙，证明它们正在进行通信。这证实了他们的装置是一个强耦合系统。随后，他们转向了更复杂的双条纹设置。通过仔细调整外部磁场的角度，他们可以仅通过旋转磁场，就能将两条条纹调节到完全相同的频率，或者调节到两个完全不同的频率。

当两条条纹被调节到相同频率时，它们不仅仅表现为两个独立的事物；它们通过超导导线形成了一个统一的整体系统。研究人员在数据中观察到一种复杂的模式，即两条磁性条纹与导线共同创造了三种不同的相互作用状态。其中两个状态是明亮的且易于检测，而第三个状态——即两条条纹以相反相位振动的状态——则对传感器而言是不可见的。这种不可见的状态被称为“暗模”（dark mode），它的存在证实了两条条纹正通过导线进行通信。这种连接的强度非常显著，能量交换的速度足以克服系统中的自然损耗。

这项工作的最重要成果在于其控制方法。研究人员证明，通过将两个磁性元件按一定角度排列并使用单一旋转磁场，他们可以独立调节每个元件的行为。这种方法消除了此前使实验难以规模化的复杂局部偏置线圈的需求。团队展示了这种几何结构允许对磁共振进行精确控制，使系统能够在具有两个独立共振和单个合并共振之间进行切换。这种简洁性表明，在平面器件中集成这些量子组件有一条清晰的路径，在这些器件中，多个磁性元件可以在无需为每个元件配置繁琐布线的条件下，在单个芯片上受控。这项工作证明，形状和取向可以作为管理量子相互作用的强大工具，为构建混合量子系统提供了一条更简洁、更具扩展性的途径。