Crédit :Groupe de spintronique dynamique / Université du Manitoba 
Dans une étude récente, des membres du groupe de spintronique dynamique de l'Université du Manitoba au Canada ont proposé une nouvelle méthode pour produire un couplage dissipatif dans les systèmes quantiques hybrides. Leur technique, présenté dans un article publié dans Lettres d'examen physique , permet une propagation de signal non réciproque avec un rapport d'isolement substantiel et une contrôlabilité flexible.
"Nos travaux récents sur la non-réciprocité dans la magnésie des cavités s'appuient sur un domaine de recherche combinant la spintronique des cavités et les systèmes quantiques hybrides, qui est prometteur pour la construction de nouvelles plateformes de traitement de l'information quantique, " Yi-Pu Wang, un chercheur postdoctoral à l'Université du Manitoba qui a participé à l'étude, dit Phys.org.
Au cours des dernières décennies, les études dans le domaine de la technologie quantique ont principalement exploré les mécanismes de couplage cohérent entre sous-systèmes, car les mécanismes de couplage dissipatif n'avaient pas encore été largement considérés et utilisés dans les systèmes quantiques hybrides. L'année dernière, cependant, la même équipe de chercheurs de l'Université du Manitoba a dévoilé un nouveau type intrigant de couplage dissipatif magnon-photon.
"Cette découverte nous a immédiatement donné beaucoup d'inspiration, parce que le couplage dissipatif peut être utilisé pour briser la symétrie d'inversion temporelle en raison de ses propriétés dissipatives inhérentes, ", a déclaré Wang. "Cela nous a conduit à créer des systèmes qui combinent des effets de couplage dissipatifs et cohérents pour obtenir des propriétés non réciproques."
Dans leur nouvelle étude, Wang et ses collègues ont entrepris de développer un dispositif avec une isolation élevée et de faibles pertes d'insertion dans le régime linéaire, car ces caractéristiques pourraient aider au développement des technologies de l'information quantique. L'appareil qu'ils ont créé comporte deux composants clés :un circuit micro-ondes planaire en forme de croix et une petite sphère de grenat de fer et d'yttrium (YIG).
"Notre appareil fonctionne de manière équivalente à une diode micro-ondes, qui permet aux micro-ondes à certaines fréquences de travail conçues de se propager dans une seule direction, " Jinwei Rao, un doctorat étudiant à l'Université du Manitoba qui a participé à l'étude, dit Phys.org. "Le circuit croisé planaire a été spécialement conçu pour soutenir la formation d'ondes stationnaires et permettre aux ondes progressives de s'y écouler."
En plaçant la sphère YIG au-dessus du circuit micro-ondes, les chercheurs ont pu provoquer des interactions coopératives entre les ondes progressives, ondes stationnaires, et des rotations magnétiques. Ces interactions permettent aux effets de couplage à la fois cohérents et dissipatifs d'être maintenus dans le temps.
Wang, Rao et leurs collègues ont observé que la phase relative entre ces effets de couplage dépend de la direction de propagation du signal hyperfréquence d'entrée. Remarquablement, dans le système magnénique de cavité qu'ils ont développé, ce signal hyperfréquence produit une non-réciprocité et une invisibilité unidirectionnelle.
Les chercheurs ont également développé un modèle simple qui décrit et capture la physique générale derrière l'interférence entre le couplage cohérent et dissipatif. Ils ont constaté que ce modèle décrivait avec précision les observations recueillies sur un large éventail de paramètres.
"Notre modèle est décrit par un hamiltonien non hermitien où la force de couplage entre les excitations photon et magnon est un nombre complexe, " a expliqué Wang. " La partie réelle de cette force de couplage représente les effets de couplage cohérents, et la partie imaginaire représente les effets de couplage dissipatifs."
Le modèle proposé par les chercheurs suggère que le couplage cohérent est quelque peu similaire à l'interaction entre deux pendules mécaniques reliés par des ressorts élastiques. Couplage dissipatif, d'autre part, ressemble à l'interaction entre deux pendules reliés par un amortisseur, ce qui introduit un frottement qui à son tour conduit à la dissipation d'énergie.
Dans le dispositif non réciproque créé par Wang, Rao et leurs collègues, la phase relative entre les effets du couplage cohérent et dissipatif est décrite comme un terme de phase. Ce terme de phase est étroitement lié à la configuration de chargement du signal hyperfréquence d'entrée.
« Les effets d'interférence correspondent toujours au rôle des termes croisés, " Wang a dit. " En règle générale, l'effet d'interférence entre A et B se traduit par le terme mathématique de A multiplié par B, qui peut provenir du carré de (A±B). Le terme croisé des couplages cohérent et dissipatif provenant du terme carré de la force de couplage complexe apparaît dans le coefficient de transmission."
L'étude est parmi les premières à introduire une méthode pour produire un couplage dissipatif dans les systèmes magnétiques à cavité. Grâce à cette nouvelle méthode, les chercheurs ont pu atteindre la non-réciprocité dans un système couplé, d'une manière qui pourrait également être étendue au couplage dans d'autres systèmes physiques ou à différentes gammes de fréquences.
Comme l'interaction entre le couplage cohérent et dissipatif est considérée comme un phénomène assez courant dans les systèmes couplés, l'approche introduite par les chercheurs pourrait inspirer d'autres recherches dans d'autres domaines de la physique. De plus, bien que l'appareil qu'ils ont développé soit assez simple, ils ont découvert qu'il contenait et démontrait des effets physiques nouveaux et élégants.
"Avant cela, le couplage cohérent était un domaine de recherche brûlant, bien que le couplage dissipatif ait également été étudié par certains physiciens dans des domaines choisis, " dit Wang. " Cependant, ces formes de couplage ont généralement été étudiées indépendamment, car ils étaient considérés comme contrôlant leurs propres lois physiques uniques. Nous avons constaté que lorsque ces deux formes de couplage sont combinées dans le même système, une réaction inhabituelle se produit, avec notre expérience démontrant systématiquement pour la première fois les phénomènes physiques particuliers qui se produisent dans le système magnétique de la cavité."
Les récents travaux menés par l'équipe de spintronique dynamique de l'Université du Manitoba ouvrent une nouvelle voie pour le développement de la technologie quantique, en décrivant la dynamique du couplage dissipatif photon-magnon dans les systèmes quantiques hybrides. La dynamique physique non réciproque décrite par leur modèle pourrait éventuellement éclairer la conception de différents dispositifs hyperfréquences fonctionnels avec de nombreuses applications possibles, y compris les isolateurs, circulateurs, capteurs et commutateurs.
« Dans un premier temps, notre groupe se concentre maintenant sur l'invention d'un isolateur micro-ondes portable miniaturisé pouvant surpasser les performances techniques des produits disponibles dans le commerce, " Dr Can-Ming Hu, le chef du groupe de spintronique dynamique à l'Université du Manitoba, dit Phys.org. "Un tel appareil est très demandé par la communauté internationale développant les technologies de l'information quantique, sur laquelle le gouvernement canadien, aux côtés des États-Unis, ROYAUME-UNI, Japon, et la Chine, investissent massivement. L'avenir est très prometteur pour la poursuite des recherches sur cette nouvelle voie de la spintronique cavitaire."
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