Коллектив ученых из МФТИ и НИТУ «МИСиС» изобрел платформу для фотон-магнонного взаимодействия на одном чипе. Она может применяться для создания гибридных квантовых устройств.
Такие устройства считаются наиболее перспективным способом передачи квантовой информации.
Каждое из ныне существующих типов квантовых устройств имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому более перспективными считаются гибриды этих типов – в них элементы каждого типа будут отвечать за определенную функцию.
«Например, на сверхпроводящих кубитах можно производить вычисления, но передавать данные все же удобнее по оптоволоконной связи, то есть с помощью фотонов, – объясняет руководитель исследования Игорь Головчанский из МИСиС и МФТИ. – Поэтому необходимо сделать так, чтобы произошла конверсия микроволнового излучения в фотоны. Потом информация приходит на устройство, работающее по третьему принципу, и она должна снова конвертироваться и уже жить на этом устройстве»,
Гибридные системы на основе коллективных спиновых возбуждений или магнонов рассматриваются как в качестве самых подходящих. Потому что магнонные системы достаточно легко перестраиваются магнитным полем. Однако магнонные системы по размеру существенно меньше фотонных, и это самая большая трудность в создании гибридных устройств на основе магнонов.
Российским специалистам удалось создать систему, в которой реализовано сверхсильное фотон-магнонное взаимодействие. Ученые измерили силу этого взаимодействия экспериментально. Сила фотон-магнонной связи в разработанной системе составила порядка 350 Гц. Для сравнения, ранее максимальный показатель для таких систем составлял около 100 Гц, а еще несколько лет назад он не превышал 1 Гц.
По словам Игоря Головчанского, система состоит из двух сверхпроводящих пленок, разделенных диэлектриком. В таких системах радикально меняется фазовая скорость, то есть фотон становится гораздо медленнее, что для данной системы критически важно, поскольку именно замедление фотонной фазовой скорости гарантирует прочность фотон-магнонной связи. Затем внутрь “сэндвича” сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник встраивается ферромагнитная пленка, и электромагнитные волны в этой трехслойной конструкции начинают взаимодействовать с ферромагнетиками. Ферромагнетики т в свою очередь влияют на магнонную систему, и происходит гибридизация.
Сверхсильная фотон-магнонная связь в созданной российскими учеными системе подтверждает присутствие в ней гибридных квазичастиц плазмон-магнон-поляритонов, которые ранее в подобных системах не наблюдались. Плазмонная составляющая этих гибридных частиц защищает систему от сверхизлучающего перехода.
Разработанная российскими учеными платформа для фотон-магнонного взаимодействия не только может стать основой для гибридных квантовых вычислительных устройств, но и позволит продвинуться в изучении таких тонких физических явлений, как обменные спиновые волны. Существенным преимуществом изобретенной является возможность создания сверхсильной фотон-магнонной связи на одном чипе.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied.