Een team van wetenschappers van NUST MISIS en MIPT heeft een nieuw platform ontwikkeld en getest voor de realisatie van de ultrasterke foton-naar-magnon-koppeling. Het voorgestelde systeem is on-chip en is gebaseerd op dunnefilm heterostructuren met supergeleidende, ferromagnetische en isolerende lagen. Deze ontdekking lost een probleem op dat de afgelopen 10 jaar op de agenda staat van onderzoeksteams uit verschillende landen, en opent nieuwe mogelijkheden bij het implementeren van kwantumtechnologieën. De studie werd gepubliceerd in het hoog aangeschreven tijdschrift Vooruitgang in de wetenschap.

Het laatste decennium is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van kunstmatige kwantumsystemen. Wetenschappers onderzoeken verschillende platforms, elk met zijn eigen voor- en nadelen. De volgende cruciale stap voor het bevorderen van de kwantumindustrie vereist een efficiënte methode voor informatie-uitwisseling tussen hybride platformsystemen die kunnen profiteren van verschillende platforms. Bijvoorbeeld, hybride systemen gebaseerd op collectieve spin-excitaties, of magnonen, worden ontwikkeld. In dergelijke systemen, magnonen moeten interageren met fotonen, staande elektromagnetische golven gevangen in een resonator. De belangrijkste beperkende factor voor het ontwikkelen van dergelijke systemen is de fundamenteel zwakke interactie tussen fotonen en magnonen. Ze zijn van verschillende grootte, en volg verschillende verspreidingswetten. Dit verschil in grootte van honderd keer of meer bemoeilijkt de interactie aanzienlijk.

Wetenschappers van MIPT, samen met hun collega's, slaagde erin een systeem te creëren met de zogenaamde ultrasterke foton-naar-magnon-koppeling.

Vasili Stolyarov, plaatsvervangend hoofd van het MIPT Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems, commentaar, "We hebben twee subsystemen gemaakt. In één, een sandwich zijn van supergeleider/isolator/supergeleider dunne films, fotonen worden vertraagd, hun fasesnelheid wordt verminderd. In een andere, wat ook een sandwich is van supergeleider/ferromagnetische/supergeleider dunne films, supergeleidende nabijheid op beide interfaces verbetert de eigenfrequenties van de collectieve spin. De ultrasterke foton-naar-magnon-koppeling wordt bereikt dankzij de onderdrukte foton-fasesnelheid in het elektromagnetische subsysteem."

Igor Golovchanskiy, toonaangevende onderzoeker, senior onderzoeker bij het MIPT Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems, hoofd van het NUST MISIS-laboratorium voor cryogene elektronische systemen, uitgelegd, "Fotonen interageren zeer zwak met magnonen. We zijn erin geslaagd een systeem te creëren waarin deze twee soorten excitaties zeer sterk op elkaar inwerken. Met behulp van supergeleiders, we hebben de elektromagnetische resonator aanzienlijk verminderd. Dit resulteerde in een honderdvoudige reductie van de fasesnelheid van fotonen, en hun interactie met magnons nam meerdere keren toe."

Deze ontdekking zal de implementatie van hybride kwantumsystemen versnellen, evenals nieuwe mogelijkheden openen in supergeleidende spintronica en magnonics.