Omdat kwantumobjecten gevoelig zijn voor hun omgeving, kwantumcoherentie en kwantumtoestanden kunnen gemakkelijk worden vernietigd door de impact van externe signalen, die thermische ruis en terugverstrooide signalen in het meetcircuit kunnen bevatten. Onderzoekers hebben dus geprobeerd technieken te ontwikkelen om niet-wederkerige signaalvoortplanting mogelijk te maken, die kunnen helpen om de ongewenste effecten van achterwaartse ruis te blokkeren.

In een recente studie, leden van de dynamische spintronica-groep aan de Universiteit van Manitoba in Canada hebben een nieuwe methode voorgesteld om dissipatieve koppeling in hybride kwantumsystemen te produceren. Hun techniek, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , maakt niet-wederkerige signaalvoortplanting mogelijk met een aanzienlijke isolatieverhouding en flexibele beheersbaarheid.

"Ons recente werk over niet-wederkerigheid in holte-magnonics is gebaseerd op een onderzoeksgebied dat holte-spintronica en hybride kwantumsystemen combineert, die veelbelovend is voor het bouwen van nieuwe platforms voor het verwerken van kwantuminformatie, "Yi Pu Wang, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Manitoba die betrokken was bij de studie, vertelde Phys.org.

In de laatste paar decennia, studies op het gebied van kwantumtechnologie hebben voornamelijk mechanismen onderzocht voor coherente koppeling tussen subsystemen, omdat dissipatieve koppelingsmechanismen nog niet algemeen werden overwogen en gebruikt in hybride kwantumsystemen. Vorig jaar, echter, hetzelfde team van onderzoekers van de Universiteit van Manitoba onthulde een intrigerend nieuw type dissipatieve magnon-fotonkoppeling.

"Deze ontdekking gaf ons meteen veel inspiratie, omdat dissipatieve koppeling kan worden gebruikt om de tijdinversiesymmetrie te doorbreken vanwege de inherente dissipatieve eigenschappen ervan, " zei Wang. "Dit dreef ons om systemen te creëren die dissipatieve en coherente koppelingseffecten combineren om niet-wederkerige eigenschappen te bereiken."

In hun nieuwe studie Wang en zijn collega's wilden een apparaat ontwikkelen met hoge isolatie en lage insertieverliezen in het lineaire regime, omdat deze kenmerken de ontwikkeling van kwantuminformatietechnologieën kunnen helpen. Het apparaat dat ze hebben gemaakt, heeft twee belangrijke componenten:een vlak, kruisvormig microgolfcircuit en een kleine bol van yttrium-ijzer-granaat (YIG).

"Ons apparaat werkt op dezelfde manier als een microgolfdiode, waardoor microgolven bij bepaalde ontworpen werkfrequenties zich in slechts één richting kunnen voortplanten, "Jinwei Rao, een doctoraat student aan de Universiteit van Manitoba die betrokken was bij de studie, vertelde Phys.org. "Het vlakke kruiscircuit is speciaal ontworpen om de vorming van staande golven te ondersteunen en lopende golven eroverheen te laten stromen."

Door de YIG-bol bovenop het microgolfcircuit te plaatsen, de onderzoekers waren in staat om coöperatieve interacties tussen de lopende golven te veroorzaken, staande golven, en magnetische spins. Door deze interacties kunnen zowel coherente als dissipatieve koppelingseffecten in de loop van de tijd worden gehandhaafd.

Wang, Rao en hun collega's merkten op dat de relatieve fase tussen deze koppelingseffecten afhankelijk is van de voortplantingsrichting van het ingevoerde microgolfsignaal. Opmerkelijk, in het holte-magnonische systeem dat ze ontwikkelden, dit microgolfsignaal produceert niet-wederkerigheid en unidirectionele onzichtbaarheid.

De onderzoekers ontwikkelden ook een eenvoudig model dat de algemene fysica achter de interferentie tussen coherente en dissipatieve koppeling schetst en vastlegt. Ze ontdekten dat dit model de waarnemingen nauwkeurig beschreef die waren verzameld over een breed scala aan parameters.

"Ons model wordt beschreven door een niet-Hermitiaanse Hamiltoniaan waarbij de koppelingssterkte tussen de foton- en magnon-excitaties een complex getal is, Wang legde uit. "Het werkelijke deel van deze koppelingssterkte vertegenwoordigt de coherente koppelingseffecten, en het denkbeeldige deel vertegenwoordigt dissipatieve koppelingseffecten."

Het door de onderzoekers voorgestelde model suggereert dat coherente koppeling enigszins lijkt op de interactie tussen twee mechanische slingers die zijn verbonden door elastische veren. Dissipatieve koppeling, anderzijds, lijkt op de interactie tussen twee slingers verbonden door een schokdemper, die een wrijving introduceert die op zijn beurt leidt tot de dissipatie van energie.

In het niet-wederkerige apparaat gemaakt door Wang, Rao en hun collega's wordt de relatieve fase tussen de effecten van coherente en dissipatieve koppeling beschreven als een faseterm. Deze faseterm hangt nauw samen met de laadconfiguratie van het ingangsmicrogolfsignaal.

"De interferentie-effecten komen altijd overeen met de rol van kruistermen, " zei Wang. "In de regel, het interferentie-effect tussen A en B wordt weerspiegeld in de wiskundige term van A vermenigvuldigd met B, die kan komen uit het kwadraat van (A±B). De kruisterm van de coherente en dissipatieve koppelingen afkomstig van de kwadratische term van de complexe koppelingssterkte verschijnt in de transmissiecoëfficiënt."

De studie is een van de eerste die een methode introduceert om dissipatieve koppeling te produceren in magnonische holtesystemen. Met behulp van deze nieuwe methode, de onderzoekers waren in staat om niet-wederkerigheid te bereiken in een gekoppeld systeem, op een manier die ook zou kunnen worden uitgebreid tot koppeling in andere fysieke systemen of op verschillende frequentiebereiken.

Aangezien wordt aangenomen dat de wisselwerking tussen coherente en dissipatieve koppeling een vrij algemeen verschijnsel is in gekoppelde systemen, de door de onderzoekers geïntroduceerde aanpak zou kunnen inspireren tot verder onderzoek op andere gebieden van de natuurkunde. Bovendien, hoewel het apparaat dat ze hebben ontwikkeld vrij eenvoudig is, ze ontdekten dat het nieuwe en elegante natuurkundige effecten bevatte en demonstreerde.

"Voorafgaand aan deze coherente koppeling was een hot gebied van onderzoek, hoewel dissipatieve koppeling ook door sommige natuurkundigen in bepaalde gebieden werd bestudeerd, " zei Wang. "Echter, deze vormen van koppeling werden over het algemeen onafhankelijk bestudeerd, omdat ze werden gezien als het beheersen van hun eigen unieke fysieke wetten. We ontdekten dat wanneer deze twee vormen van koppeling in hetzelfde systeem worden gecombineerd, er een ongebruikelijke reactie plaatsvindt, met ons experiment dat voor de eerste keer systematisch de eigenaardige fysieke verschijnselen demonstreert die zich voordoen in het holte-magnonic-systeem."

Het recente werk van het dynamische spintronica-team van de Universiteit van Manitoba opent een nieuwe weg voor de ontwikkeling van kwantumtechnologie, door de dynamiek van dissipatieve foton-magnon-koppeling in hybride kwantumsystemen te schetsen. De niet-wederkerige fysica-dynamiek die door hun model wordt geschetst, zou uiteindelijk het ontwerp van verschillende functionele microgolfapparaten met veel mogelijke toepassingen kunnen informeren, inclusief isolatoren, circulatiepompen, sensoren en schakelaars.

"Als eerste stap onze groep is nu gefocust op het uitvinden van een geminiaturiseerde draagbare microgolfisolator die de technische prestaties van in de handel verkrijgbare producten kan overtreffen, "Dr. Can-Ming Hu, het hoofd van de dynamische spintronica-groep aan de Universiteit van Manitoba, vertelde Phys.org. "Een dergelijk apparaat is zeer gevraagd door de internationale gemeenschap die kwantuminformatietechnologieën ontwikkelt, waarop de Canadese regering, naast de VS, VK, Japan, en China, zijn zwaar aan het investeren. De toekomst ziet er heel rooskleurig uit voor het voortzetten van onderzoek naar dit nieuwe pad van Cavity Spintronics."

© 2019 Wetenschap X Netwerk