Esquema del circuito de acoplamiento remoto magnon-magnon. Dos esferas YIG monocristalinas están integradas en el circuito resonador superconductor coplanar NbN, donde el fotón de microondas media la interacción magnón-magnón coherente. Crédito:Yi Li/Laboratorio Nacional de Argonne.
Las interacciones magnéticas podrían apuntar a dispositivos cuánticos miniaturizables.
Desde las máquinas de resonancia magnética hasta el almacenamiento en el disco duro de la computadora, el magnetismo ha desempeñado un papel en descubrimientos fundamentales que remodelan nuestra sociedad. En el nuevo campo de la computación cuántica, las interacciones magnéticas podrían desempeñar un papel en la transmisión de información cuántica.
En una nueva investigación del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), los científicos han logrado un acoplamiento cuántico eficiente entre dos dispositivos magnéticos distantes, que pueden albergar cierto tipo de excitaciones magnéticas llamadas magnones. Estas excitaciones ocurren cuando una corriente eléctrica genera un campo magnético. El acoplamiento permite que los magnones intercambien energía e información. Este tipo de acoplamiento puede ser útil para crear nuevos dispositivos de tecnología de la información cuántica.
"El acoplamiento remoto de magnones es el primer paso, o casi un requisito previo, para hacer trabajo cuántico con sistemas magnéticos", dijo el científico principal de Argonne, Valentine Novosad, autor del estudio. "Mostramos la capacidad de estos magnones para comunicarse instantáneamente entre sí a distancia".
Esta comunicación instantánea no requiere enviar un mensaje entre magnones limitados por la velocidad de la luz. Es análogo a lo que los físicos llaman entrelazamiento cuántico.
A raíz de un estudio de 2019, los investigadores buscaron crear un sistema que permitiera que las excitaciones magnéticas se comunicaran entre sí a distancia en un circuito superconductor. Esto permitiría que los magnones formaran potencialmente la base de un tipo de computadora cuántica. Para los fundamentos básicos de una computadora cuántica viable, los investigadores necesitan que las partículas se acoplen y permanezcan acopladas durante mucho tiempo.
Para lograr un fuerte efecto de acoplamiento, los investigadores han construido un circuito superconductor y han utilizado dos pequeñas esferas magnéticas de granate de hierro itrio (YIG) incrustadas en el circuito. Este material, que soporta excitaciones magnónicas, asegura un acoplamiento eficiente y de bajas pérdidas para las esferas magnéticas.
Las dos esferas están acopladas magnéticamente a un resonador superconductor compartido en el circuito, que actúa como una línea telefónica para crear un fuerte acoplamiento entre las dos esferas incluso cuando están a casi un centímetro de distancia entre sí, 30 veces la distancia de sus diámetros.
"Este es un logro significativo", dijo el científico de materiales de Argonne, Yi Li, autor principal del estudio. "También se pueden observar efectos similares entre magnones y resonadores superconductores, pero esta vez lo hicimos entre dos resonadores magnones sin interacción directa. El acoplamiento proviene de la interacción indirecta entre las dos esferas y el resonador superconductor compartido".
Una mejora adicional con respecto al estudio de 2019 involucró la mayor coherencia de los magnones en el resonador magnético. "Si hablas en una cueva, puedes escuchar un eco", dijo Novosad. "Cuanto más dura ese eco, más larga es la coherencia".
"Antes, definitivamente vimos una relación entre los magnones y un resonador superconductor, pero en este estudio sus tiempos de coherencia son mucho más largos debido al uso de las esferas, por lo que podemos ver evidencia de magnones separados hablando entre sí", Li añadido.
Según Li, debido a que los espines magnéticos están altamente concentrados en el dispositivo, el estudio podría apuntar a dispositivos cuánticos miniaturizables. "Es posible que pequeños imanes puedan contener el secreto de las nuevas computadoras cuánticas", dijo.
Los dispositivos magnónicos se fabricaron en el Centro de materiales a nanoescala de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Se publicó un artículo basado en el estudio en Physical Review Letters . Los científicos combinan la magnetización con la superconductividad para los descubrimientos cuánticos
