Eftersom kvantobjekt är mottagliga för sin omgivande miljö, kvantkoherens och kvanttillstånd kan lätt förstöras på grund av påverkan av yttre signaler, som kan inkludera termiskt brus och återspridna signaler i mätkretsen. Forskare har därför försökt utveckla tekniker för att möjliggöra icke -ömsesidig signalutbredning, vilket kan hjälpa till att blockera oönskade effekter av bakåtbrus.

I en nyligen genomförd studie medlemmar av den dynamiska spintronics -gruppen vid University of Manitoba i Kanada har föreslagit en ny metod för att producera dissipativ koppling i hybridkvantsystem. Deras teknik, presenteras i ett papper publicerat i Fysiska granskningsbrev , möjliggör icke -ömsesidig signalutbredning med ett betydande isoleringsförhållande och flexibel styrbarhet.

"Vårt senaste arbete med nonreciprocity i kavitetsmagnonik är baserat på ett forskningsområde som kombinerar kavitetsspintronik och hybridkvantsystem, som lovar att bygga nya plattformar för kvantinformationsbehandling, "Yi-Pu Wang, en postdoktor vid University of Manitoba som var inblandad i studien, berättade för Phys.org.

Under de senaste decennierna har studier inom kvantteknologi har främst undersökt mekanismer för koherent koppling mellan delsystem, eftersom dissipativa kopplingsmekanismer ännu inte hade övervägt och använts i hybridkvantsystem. Förra året, dock, samma team av forskare vid University of Manitoba presenterade en spännande ny typ av dissipativ magnon-foton-koppling.

"Denna upptäckt gav oss omedelbart mycket inspiration, eftersom dissipativ koppling kan användas för att bryta tidsinversionssymmetri på grund av dess inneboende dissipativa egenskaper, "Wang sa." Detta fick oss att skapa system som kombinerar dissipativa och sammanhängande kopplingseffekter för att uppnå icke -ömsesidiga egenskaper. "

I deras nya studie, Wang och hans kollegor bestämde sig för att utveckla en enhet med hög isolering och låga införingsförluster i den linjära regimen, eftersom dessa egenskaper kan underlätta utvecklingen av kvantinformationsteknik. Enheten de skapade har två nyckelkomponenter:en plan korsformad mikrovågskrets och en liten yttrium järn granat (YIG) sfär.

"Vår enhet fungerar på samma sätt som en mikrovågsdiod, som gör att mikrovågor vid vissa utformade arbetsfrekvenser kan sprida sig i endast en riktning, "Jinwei Rao, en doktorsexamen student vid University of Manitoba som var inblandad i studien, berättade för Phys.org. "Den plana tvärkretsen var speciellt utformad för att stödja bildandet av stående vågor och låta resande vågor flöda över den."

Genom att placera YIG -sfären ovanpå mikrovågskretsen, forskarna kunde framkalla kooperativa interaktioner mellan de resande vågorna, stående vågor, och magnetiska snurr. Dessa interaktioner gör att både koherenta och dissipativa kopplingseffekter kan upprätthållas över tid.

Wang, Rao och deras kollegor observerade att den relativa fasen mellan dessa kopplingseffekter är beroende av utbredningsriktningen för den ingående mikrovågssignalen. Anmärkningsvärt, i kavitetsmagnonsystemet som de utvecklade, denna mikrovågssignal ger icke -ömsesidighet och enriktad osynlighet.

Forskarna utvecklade också en enkel modell som beskriver och fångar den allmänna fysiken bakom interferensen mellan koherent och dissipativ koppling. De fann att denna modell noggrant beskrev observationer som samlats in över ett brett spektrum av parametrar.

"Vår modell beskrivs av en icke-hermitisk Hamiltonian där kopplingsstyrkan mellan foton och magnon excitationer är ett komplext tal, "Wang förklarade." Den verkliga delen av denna kopplingsstyrka representerar de koherenta kopplingseffekterna, och den imaginära delen representerar dissipativa kopplingseffekter. "

Den modell som forskarna föreslår tyder på att koherent koppling är något liknande interaktionen mellan två mekaniska pendlar som är förbundna med elastiska fjädrar. Dissipativ koppling, å andra sidan, liknar interaktionen mellan två pendlar som är anslutna med en stötdämpare, som introducerar en friktion som i sin tur leder till energispridning.

I den icke -ömsesidiga enhet som skapats av Wang, Rao och deras kollegor beskrivs den relativa fasen mellan effekterna av koherent och dissipativ koppling som en fasterm. Denna fasterm är nära besläktad med laddningskonfigurationen för den ingående mikrovågssignalen.

"Störningseffekterna motsvarar alltid rollen som korsord, "Sa Wang." Som regel, interferenseffekten mellan A och B återspeglas i den matematiska termen A multiplicerad med B, som kan komma från kvadraten (A ± B). Tvärsnittet för de koherenta och dissipativa kopplingarna härstammar från kvadratperioden för den komplexa kopplingsstyrkan visas i överföringskoefficienten. "

Studien är bland de första som introducerade en metod för att producera dissipativ koppling i kavitetsmagnonsystem. Med denna nya metod, forskarna kunde uppnå icke -ömsesidighet i ett kopplat system, på ett sätt som också kan utvidgas till koppling i andra fysiska system eller vid olika frekvensområden.

Eftersom samspelet mellan koherent och dissipativ koppling antas vara ett ganska vanligt fenomen i kopplade system, det tillvägagångssätt som forskarna introducerade kan inspirera till ytterligare forskning inom andra fysikområden. Dessutom, även om enheten de utvecklade är ganska enkel, de fann att den innehöll och demonstrerade nya och eleganta fysiska effekter.

"Innan detta, koherent koppling var ett hett forskningsområde, även om dissipativ koppling också studerades av vissa fysiker inom utvalda områden, "Sa Wang." Men dessa kopplingsformer studerades i allmänhet oberoende, eftersom de sågs styra sina egna unika fysiska lagar. Vi fann att när dessa två kopplingsformer kombineras i samma system sker en ovanlig reaktion, med vårt experiment som systematiskt demonstrerar för första gången de säregna fysiska fenomen som uppstår i kavitetsmagnonsystemet. "

Det senaste arbetet som utförts av det dynamiska spintronics -teamet vid University of Manitoba öppnar en ny väg för utveckling av kvantteknik, genom att beskriva dynamiken i dissipativ foton-magnonkoppling i hybridkvantsystem. Den icke -ömsesidiga fysikdynamiken som deras modell beskriver kan så småningom informera om utformningen av olika funktionella mikrovågsugnar med många möjliga tillämpningar, inklusive isolatorer, cirkulationspumpar, sensorer och omkopplare.

"Som ett första steg, vår grupp fokuserar nu på att uppfinna en miniatyriserad bärbar mikrovågsisolator som kan överträffa den tekniska prestandan hos kommersiellt tillgängliga produkter, "Dr Can-Ming Hu, chef för den dynamiska spintronics -gruppen vid University of Manitoba, berättade för Phys.org. "En sådan enhet är mycket efterfrågad av det internationella samfundet som utvecklar kvantinformationsteknik, som den kanadensiska regeringen, vid sidan av USA, STORBRITANNIEN, Japan, och Kina, satsar stort. Framtiden är mycket ljus för fortsatt forskning om denna nya väg för Cavity Spintronics. "

© 2019 Science X Network