Schéma du circuit de couplage déporté magnon-magnon. Deux sphères YIG monocristallines sont intégrées au circuit résonateur supraconducteur coplanaire NbN, où le photon micro-onde médie l'interaction magnon-magnon cohérente. Crédit :Yi Li/Laboratoire national d'Argonne.
Les interactions magnétiques pourraient pointer vers des dispositifs quantiques miniaturisables.
Des machines IRM au stockage sur disque dur d'ordinateur, le magnétisme a joué un rôle dans des découvertes cruciales qui remodèlent notre société. Dans le nouveau domaine de l'informatique quantique, les interactions magnétiques pourraient jouer un rôle dans la transmission d'informations quantiques.
Dans une nouvelle recherche du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE), des scientifiques ont obtenu un couplage quantique efficace entre deux dispositifs magnétiques distants, qui peuvent héberger un certain type d'excitations magnétiques appelées magnons. Ces excitations se produisent lorsqu'un courant électrique génère un champ magnétique. Le couplage permet aux magnons d'échanger de l'énergie et des informations. Ce type de couplage peut être utile pour créer de nouveaux dispositifs de technologie de l'information quantique.
"Le couplage à distance des magnons est la première étape, ou presque une condition préalable, pour effectuer un travail quantique avec des systèmes magnétiques", a déclaré Valentine Novosad, scientifique principale à Argonne, auteur de l'étude. "Nous montrons la capacité de ces magnons à communiquer instantanément entre eux à distance."
Cette communication instantanée ne nécessite pas l'envoi d'un message entre magnons limité par la vitesse de la lumière. C'est analogue à ce que les physiciens appellent l'intrication quantique.
Suite à une étude de 2019, les chercheurs ont cherché à créer un système qui permettrait aux excitations magnétiques de se parler à distance dans un circuit supraconducteur. Cela permettrait aux magnons de former potentiellement la base d'un type d'ordinateur quantique. Pour les fondements d'un ordinateur quantique viable, les chercheurs ont besoin que les particules soient couplées et restent couplées pendant longtemps.
Afin d'obtenir un fort effet de couplage, les chercheurs ont construit un circuit supraconducteur et utilisé deux petites sphères magnétiques en grenat de fer et d'yttrium (YIG) intégrées dans le circuit. Ce matériau, qui supporte les excitations magnoniques, assure un couplage efficace et à faibles pertes pour les sphères magnétiques.
Les deux sphères sont toutes deux couplées magnétiquement à un résonateur supraconducteur partagé dans le circuit, qui agit comme une ligne téléphonique pour créer un couplage fort entre les deux sphères même lorsqu'elles sont à près d'un centimètre l'une de l'autre, soit 30 fois la distance de leurs diamètres.
"Il s'agit d'une réalisation importante", a déclaré le scientifique des matériaux d'Argonne, Yi Li, auteur principal de l'étude. "Des effets similaires peuvent également être observés entre les magnons et les résonateurs supraconducteurs, mais cette fois nous l'avons fait entre deux résonateurs à magnon sans interaction directe. Le couplage provient de l'interaction indirecte entre les deux sphères et le résonateur supraconducteur partagé."
Une amélioration supplémentaire par rapport à l'étude de 2019 concernait la cohérence plus longue des magnons dans le résonateur magnétique. "Si vous parlez dans une grotte, vous pouvez entendre un écho", a déclaré Novosad. "Plus l'écho dure longtemps, plus la cohérence est longue."
"Avant, nous avons certainement vu une relation entre les magnons et un résonateur supraconducteur, mais dans cette étude, leurs temps de cohérence sont beaucoup plus longs en raison de l'utilisation des sphères, c'est pourquoi nous pouvons voir des preuves de magnons séparés se parlant", Li ajouté.
Selon Li, étant donné que les spins magnétiques sont fortement concentrés dans le dispositif, l'étude pourrait indiquer des dispositifs quantiques miniaturisables. "Il est possible que de minuscules aimants détiennent le secret des nouveaux ordinateurs quantiques", a-t-il déclaré.
Les dispositifs magnoniques ont été fabriqués au Centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique d'Argonne, une installation utilisateur du Office of Science du DOE.
Un article basé sur l'étude a été publié dans Physical Review Letters . Les scientifiques associent l'aimantation à la supraconductivité pour des découvertes quantiques
