Crédito:Grupo de espintrónica dinámica / Universidad de Manitoba 
En un estudio reciente, miembros del grupo de espintrónica dinámica de la Universidad de Manitoba en Canadá han propuesto un nuevo método para producir acoplamiento disipativo en sistemas cuánticos híbridos. Su técnica, presentado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , permite la propagación de señales no recíproca con una relación de aislamiento sustancial y capacidad de control flexible.
"Nuestro trabajo reciente sobre la no reciprocidad en magnónica de cavidad se basa en un área de investigación que combina la espintrónica de cavidad y los sistemas cuánticos híbridos, que promete construir nuevas plataformas de procesamiento de información cuántica, "Yi-Pu Wang, un investigador postdoctoral de la Universidad de Manitoba que participó en el estudio, dijo Phys.org.
Durante las ultimas décadas, Los estudios en el campo de la tecnología cuántica han explorado principalmente los mecanismos de acoplamiento coherente entre subsistemas. ya que los mecanismos de acoplamiento disipativo aún no se habían considerado ni utilizado ampliamente en los sistemas cuánticos híbridos. El año pasado, sin embargo, el mismo equipo de investigadores de la Universidad de Manitoba reveló un nuevo y fascinante tipo de acoplamiento disipativo magnón-fotón.
"Este descubrimiento nos inspiró mucho de inmediato, porque el acoplamiento disipativo se puede utilizar para romper la simetría de inversión de tiempo debido a sus propiedades disipativas inherentes, ", Dijo Wang." Esto nos llevó a crear sistemas que combinan efectos de acoplamiento disipativos y coherentes para lograr propiedades no recíprocas ".
En su nuevo estudio, Wang y sus colegas se propusieron desarrollar un dispositivo con alto aislamiento y bajas pérdidas de inserción en el régimen lineal, ya que estas características podrían ayudar al desarrollo de tecnologías de la información cuántica. El dispositivo que crearon tiene dos componentes clave:un circuito de microondas plano en forma de cruz y una pequeña esfera de granate de hierro ytrio (YIG).
"Nuestro dispositivo funciona de forma equivalente a un diodo de microondas, que permite que las microondas en ciertas frecuencias de trabajo diseñadas se propaguen en una sola dirección, "Jinwei Rao, un doctorado estudiante de la Universidad de Manitoba que participó en el estudio, dijo Phys.org. "El circuito cruzado plano fue diseñado especialmente para soportar la formación de ondas estacionarias y permitir que las ondas viajeras fluyan sobre él".
Al colocar la esfera YIG en la parte superior del circuito de microondas, los investigadores pudieron impulsar interacciones cooperativas entre las ondas viajeras, ondas estacionarias, y giros magnéticos. Estas interacciones permiten que los efectos de acoplamiento tanto coherentes como disipativos se mantengan en el tiempo.
Wang, Rao y sus colegas observaron que la fase relativa entre estos efectos de acoplamiento depende de la dirección de propagación de la señal de microondas de entrada. Notablemente, en el sistema magnónico de cavidad que desarrollaron, esta señal de microondas produce no reciprocidad e invisibilidad unidireccional.
Los investigadores también desarrollaron un modelo simple que describe y captura la física general detrás de la interferencia entre el acoplamiento coherente y disipativo. Descubrieron que este modelo describía con precisión las observaciones recopiladas en una amplia gama de parámetros.
"Nuestro modelo es descrito por un hamiltoniano no hermitiano donde la fuerza de acoplamiento entre las excitaciones del fotón y del magnón es un número complejo, "Explicó Wang." La parte real de esta fuerza de acoplamiento representa los efectos de acoplamiento coherentes, y la parte imaginaria representa efectos de acoplamiento disipativos ".
El modelo propuesto por los investigadores sugiere que el acoplamiento coherente es algo similar a la interacción entre dos péndulos mecánicos conectados por resortes elásticos. Acoplamiento disipativo, por otra parte, se asemeja a la interacción entre dos péndulos conectados por un amortiguador, lo que introduce una fricción que a su vez conduce a la disipación de energía.
En el dispositivo no recíproco creado por Wang, Rao y sus colegas, la fase relativa entre los efectos del acoplamiento coherente y disipativo se describe como un término de fase. Este término de fase está estrechamente relacionado con la configuración de carga de la señal de microondas de entrada.
"Los efectos de interferencia siempre corresponden al papel de los términos cruzados, "Dijo Wang." Como regla, el efecto de interferencia entre A y B se refleja en el término matemático de A multiplicado por B, que puede provenir del cuadrado de (A ± B). El término cruzado de los acoplamientos coherentes y disipativos originados a partir del término cuadrado de la fuerza de acoplamiento compleja aparece en el coeficiente de transmisión ".
El estudio es uno de los primeros en introducir un método para producir acoplamiento disipativo en sistemas magnónicos de cavidad. Usando este nuevo método, los investigadores pudieron lograr la no reciprocidad en un sistema acoplado, de una manera que también podría extenderse al acoplamiento en otros sistemas físicos o en diferentes rangos de frecuencia.
Como se cree que la interacción entre el acoplamiento coherente y disipativo es un fenómeno bastante común en los sistemas acoplados, el enfoque introducido por los investigadores podría inspirar más investigaciones en otras áreas de la física. Es más, aunque el dispositivo que desarrollaron es bastante simple, descubrieron que contenía y demostraba nuevos y elegantes efectos físicos.
"Anterior a eso, el acoplamiento coherente fue un área de investigación candente, aunque algunos físicos también estudiaron el acoplamiento disipativo en campos selectos, "Dijo Wang." Sin embargo, estas formas de acoplamiento generalmente se estudiaron de forma independiente, ya que se consideraba que controlaban sus propias leyes físicas únicas. Descubrimos que cuando estas dos formas de acoplamiento se combinan en el mismo sistema se produce una reacción inusual, con nuestro experimento demostrando sistemáticamente por primera vez los peculiares fenómenos físicos que surgen en el sistema de cavidades magnónicas ".
El trabajo reciente llevado a cabo por el equipo de espintrónica dinámica de la Universidad de Manitoba abre un nuevo camino para el desarrollo de la tecnología cuántica, al delinear la dinámica del acoplamiento disipativo fotón-magnón en sistemas cuánticos híbridos. La dinámica de la física no recíproca descrita por su modelo podría eventualmente informar el diseño de diferentes dispositivos de microondas funcionales con muchas aplicaciones posibles, incluyendo aisladores, circuladores, sensores y conmutadores.
"Como primer paso, Nuestro grupo ahora se centra en inventar un aislador de microondas portátil miniaturizado que pueda superar el rendimiento técnico de los productos disponibles comercialmente. "Dr. Can-Ming Hu, el jefe del grupo de espintrónica dinámica de la Universidad de Manitoba, dijo Phys.org. "Un dispositivo de este tipo es muy demandado por la comunidad internacional que desarrolla tecnologías de información cuántica, en el que el gobierno canadiense, junto con los EE. UU., REINO UNIDO, Japón, y China, están invirtiendo mucho. El futuro es muy brillante para continuar la investigación sobre este nuevo camino de Cavity Spintronics ".
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