Fysikere skaber platform for at opnå ultra-stærk foton-til-magnon-kobling

Et team af forskere fra NUST MISIS og MIPT har udviklet og testet en ny platform til realisering af den ultrastærke foton-til-magnon-kobling. Det foreslåede system er on-chip og er baseret på tyndfilms heterostrukturer med superledende, ferromagnetiske og isolerende lag. Denne opdagelse løser et problem, der har været på dagsordenen for forskerhold fra forskellige lande i de sidste 10 år, og åbner nye muligheder for implementering af kvanteteknologier. Undersøgelsen blev offentliggjort i det højt rangerede tidsskrift Videnskabens fremskridt.

Det sidste årti har set betydelige fremskridt i udviklingen af ​​kunstige kvantesystemer. Forskere udforsker forskellige platforme, hver med sine egne fordele og ulemper. Det næste kritiske skridt for at fremme kvanteindustrien kræver en effektiv metode til informationsudveksling mellem platformshybridsystemer, der kan drage fordel af forskellige platforme. For eksempel, hybridsystemer baseret på kollektive spin-excitationer, eller magnoner, er under udvikling. I sådanne systemer, magnoner skal interagere med fotoner, stående elektromagnetiske bølger fanget i en resonator. Den vigtigste begrænsende faktor for udvikling af sådanne systemer er den fundamentalt svage interaktion mellem fotoner og magnoner. De har forskellige størrelser, og følger forskellige spredningslove. Denne størrelsesforskel på hundrede gange eller mere komplicerer interaktionen betydeligt.

Forskere fra MIPT, sammen med deres kolleger, formået at skabe et system med det man kalder den ultrastærke foton-til-magnon-kobling.

Vasily Stolyarov, stedfortrædende leder af MIPT Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems, kommenterede, "Vi skabte to undersystemer. I det ene, være en sandwich fra superleder/isolator/superleder tynde film, fotoner bremses, deres fasehastighed reduceres. I en anden, som også er en sandwich fra superleder/ferromagnetiske/superleder tynde film, superledende nærhed ved begge grænseflader forbedrer de kollektive spin-egen-frekvenser. Den ultrastærke foton-til-magnon-kobling opnås takket være den undertrykte fotonfasehastighed i det elektromagnetiske delsystem."

Igor Golovchanskiy, førende forsker, seniorforsker ved MIPT Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems, leder af NUST MISIS Laboratory of Cryogenic Electronic Systems, forklaret, "Fotoner interagerer meget svagt med magnoner. Det lykkedes os at skabe et system, hvor disse to typer excitationer interagerer meget stærkt. Ved hjælp af superledere, vi har reduceret den elektromagnetiske resonator markant. Dette resulterede i en hundrede gange reduktion af fotonernes fasehastighed, og deres interaktion med magnoner steg flere gange."

Denne opdagelse vil fremskynde implementeringen af ​​hybride kvantesystemer, samt åbne op for nye muligheder inden for superledende spintronik og magnonic.