Квантовые системы будущего. Фотоны и магноны

Коллектив ученых из МФТИ и МИСиС разработал и протестировал новую платформу для реализации сверхсильной фотон-магнонной связи.

Систему сделали из тонкопленочных гетероструктур на кристалле кремния. Это открытие решает проблему, над которой исследовательские группы в разных странах бились последний десяток лет, и дает доступ к новым возможностям в реализации квантовых технологий.

Научная статья опубликована в высокорейтинговом журнале Science Advances.

В последнее десятилетие наблюдается серьезный прогресс в разработке искусственных квантовых систем. Ученые исследуют различные платформы, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Следующий важный шаг в квантовой индустрии требует эффективного метода обмена информацией между квантовыми системами на разных платформах для использования преимуществ каждой. Например, разрабатываются гибридные системы на основе коллективных спиновых возбуждений, или магнонов. В них магноны должны взаимодействовать с фотонами, электромагнитными колебаниями.

Основным сдерживающим фактором для развития подобных систем является принципиально слабая связь между фотонами и магнонами. Фотоны — это квантовые электромагнитные колебания, стоячая электромагнитная волна, запертая в резонаторе. Магноны — коллективные спиновые возбуждения, или магнитные колебания. Они разного размера, и у них разные законы дисперсии. Здесь можно привести для аналогии всем известных слона и моську — разница в размерах в сотню раз делает взаимодействие очень сложным.

Ученым из МФТИ совместно с коллегами удалось создать систему, в которой реализовано сверхсильное фотон-магнонное взаимодействие.

Василий Столяров, заместитель заведующего лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ:

«Мы сделали две подсистемы. В одной, представляющей собой сэндвич из тонких «пленок сверхпроводник / диэлектрик / сверхпроводник», фазовая скорость фотонов значимо снижается. В другой, также являющейся сэндвичем «сверхпроводник / ферромагнетик / сверхпроводник», сверхпроводящая близость на обеих границах раздела увеличивает коллективные собственные частоты спина. Высокие характеристики связи достигаются за счет подавления фазовой скорости фотона в электромагнитной подсистеме».

Игорь Головчанский, руководитель исследования, старший научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ, руководитель лаборатории криоэлектронных систем НИТУ МИСиС, поясняет:

«Фотоны очень плохо взаимодействуют с магнонами. Нам удалось сделать такую систему, в которой эти два вида возбуждений взаимодействуют очень сильно. Мы с помощью сверхпроводников существенно уменьшили электромагнитный резонатор. Это позволило в сотню раз снизить фазовую скорость фотонов, и взаимодействие кратно увеличилось».

Это открытие ускорит реализацию гибридных квантовых систем, а также откроет новые возможности в сверхпроводящей спинтронике и магнонике.

В работе, кроме сотрудников лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ, принимали участие ученые из МИСиС, Всероссийского НИИ автоматики им. Н. Л. Духова, Института физики твердого тела РАН, Института ядерной физики им. Д. В. Скобельцына, Университета Глазго (Соединенное Королевство), Университета Твенте (Нидерланды) и Технологического института Карлсруэ (Германия).

Работа поддержана Министерством науки и высшего образования РФ и Российским научным фондом.