Forskere demonstrerer potentialet af elektronspin til at transmittere kvanteinformation

Elektronens spin er naturens perfekte kvantebit, der er i stand til at udvide rækkevidden af ​​informationslagring ud over "én" eller "nul". Udnyttelse af elektronens spin-frihedsgrad (mulige spin-tilstande) er et centralt mål for kvanteinformationsvidenskaben.

Nylige fremskridt fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) forskere Joseph Orenstein, Yue Sun, Jie Yao og Fanghao Meng har vist potentialet af magnonbølgepakker - kollektive excitationer af elektronspin - til at transportere kvanteinformation over betydelige afstande i en klasse af materialer kendt som antiferromagneter.

Deres arbejde øger den konventionelle forståelse af, hvordan sådanne excitationer forplanter sig i antiferromagneter. Kvanteteknologiernes kommende tidsalder – computere, sensorer og andre enheder – afhænger af at transmittere kvanteinformation med nøjagtighed over afstand.

Med deres opdagelse, rapporteret i et papir offentliggjort i Nature Physics , Orenstein og kolleger håber at være kommet et skridt tættere på disse mål. Deres forskning er en del af en bredere indsats hos Berkeley Lab for at fremme kvanteinformation ved at arbejde på tværs af kvanteforskningsøkosystemet, fra teori til applikation, for at fremstille og teste kvantebaserede enheder og udvikle software og algoritmer.

Elektronspind er ansvarlige for magnetisme i materialer og kan opfattes som bittesmå stangmagneter. Når tilstødende spins er orienteret i skiftende retninger, er resultatet antiferromagnetisk orden, og arrangementet producerer ingen nettomagnetisering.

For at forstå, hvordan magnonbølgepakker bevæger sig gennem et antiferromagnetisk materiale, brugte Orensteins gruppe par af laserimpulser til at forstyrre den antiferromagnetiske rækkefølge et sted, mens de sonderede et andet sted, hvilket gav øjebliksbilleder af deres udbredelse. Disse billeder afslørede, at magnon-bølgepakker forplanter sig i alle retninger, som krusninger på en dam fra en faldet sten.

Berkeley Lab-holdet viste også, at magnonbølgepakker i antiferromagneten CrSBr (chromsulfidbromid) forplanter sig hurtigere og over længere afstande, end de eksisterende modeller ville forudsige. Modellerne antager, at hvert elektronspin kun kobles til sine naboer. En analogi er et system af kugler, der er forbundet med nære naboer med fjedre; at forskyde en kugle fra dens foretrukne position frembringer en bølge af forskydning, der spreder sig med tiden.

Overraskende nok forudsiger sådanne interaktioner en udbredelseshastighed, der er størrelsesordener langsommere, end holdet faktisk observerede.

"Husk dog, at hver roterende elektron er som en lille stangmagnet. Hvis vi forestiller os at erstatte kuglerne med små stangmagneter, der repræsenterer de roterende elektroner, ændrer billedet sig fuldstændig," sagde Orenstein. "Nu, i stedet for lokale interaktioner, kobles hver stangmagnet til hver anden gennem hele systemet gennem den samme langrækkende interaktion, som trækker en køleskabsmagnet til køleskabsdøren."

Flere oplysninger: Yue Sun et al, Dipolar spin wave packet transport in a van der Waals antiferromagnet, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02387-2

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Lawrence Berkeley National Laboratory