Ibland går det lite ur spel, och det visar sig vara precis vad du behöver.

Det var fallet när orthoferritkristaller dök upp på ett Rice University-laboratorium något felinriktade. Dessa kristaller blev oavsiktligt grunden för en upptäckt som borde få resonans hos forskare som studerar spintronikbaserad kvantteknologi.

Risfysikern Junichiro Kono, alumnen Takuma Makihara och deras medarbetare hittade ett orthoferritmaterial, i detta fall yttriumjärnoxid, placerad i ett högt magnetfält visade sig vara unikt avstämbart, ultrastarka interaktioner mellan magnoner i kristallen.

Orthoferriter är järnoxidkristaller med tillägg av en eller flera sällsynta jordartsmetaller.

Magnoner är kvasipartiklar, spöklika konstruktioner som representerar den kollektiva exciteringen av elektronspin i ett kristallgitter.

Vad det ena har med det andra att göra ligger till grund för en studie som dyker upp i Naturkommunikation , där Kono och hans team beskriver en ovanlig koppling mellan två magnoner som domineras av antiresonans, genom vilken båda magnonerna får eller förlorar energi samtidigt.

Vanligtvis, när två oscillatorer kopplas resonant, den ena får energi på bekostnad av den andra, sparar total energi, sa Kono.

Men i antiresonant (eller motroterande) koppling, båda oscillatorerna kan få eller förlora energi samtidigt genom interaktion med kvantvakuumet, nollpunktsfältet som förutspåtts existera av kvantmekaniken.

Tänk på det som en tillfällig gungbräda som kan tvingas böjas på mitten.

Makihara och medförfattarna Kenji Hayashida från Hokkaido University och fysikern Motoaki Bamba från Kyoto University använde upptäckten för att via teori visa sannolikheten för betydande kvantklämning i grundtillståndet för det kopplade magnon-magnon-systemet.

I klämt tillstånd, mängden fluktuationer, eller buller, av en mätbar mängd associerad med magnonerna kan undertryckas, med samtidigt ökat buller i en annan mängd, sa Kono. "Det är relaterat till Heisenbergs osäkerhetsprincip där en uppsättning variabler är korrelerade, men om du försöker mäta en exakt, du förlorar information om den andre. Om du klämmer en, osäkerheten om den andra växer.

"Vanligtvis, för att skapa ett kvantpressat tillstånd, man måste starkt driva systemet med hjälp av en laserstråle. Men Takumas system är i sig klämt; det är, det kan beskrivas som ett redan klämt tillstånd, ", sa han. "Detta kan bli en användbar plattform för kvantavkänningsapplikationer."

Makihara sa att det unika tillståndet uppnås med ett starkt magnetfält som det som används vid magnetisk resonanstomografi. Fältet applicerar vridmoment på de magnetiska momenten i atomer, i detta fall orthoferritens. Det får dem att rotera (eller precessera).

Det kräver ett kraftfullt fält. Kono-labbets RAMBO – Rice Advanced Magnet with Broadband Optics – är en unik spektrometer utvecklad med fysikern Hiroyuki Nojiri vid Tohoku University som tillåter forskare att exponera material kylda till nära absolut noll för kraftfulla magnetfält upp till 30 tesla i kombination med ultrakorta laserpulser .

"Vi sa, 'Vad kan vi studera med RAMBO? Vilken ny fysik finns i denna unika regim?'" sa Makihara, nu doktorand vid Stanford University. "Orthoferriter har dessa magnoner som skiftar upp till 30 tesla och frekvenser i terahertzregimen. De initiala mätningarna var inte så intressanta.

"Men sedan fick vi kristaller (odlade av Shanghai University fysiker Shixun Cao och hans grupp) som inte hade perfekt parallella ansikten, " sa han. "De var typ skurna i vinkel. Och en dag, vi laddade kristallen på magneten i en sådan vinkel att magnetfältet inte applicerades längs kristallaxeln.

"Vi förväntade oss att magnonfrekvensen bara skulle skifta upp med magnetfältet, men när den lutades, vi såg en liten lucka, " sa Makihara. "Så, efter att ha diskuterat detta fynd med professor Bamba, vi efterfrågade uttryckligen kristaller som skars i olika vinklar och mätte dem, och såg denna enorma grad av anti-korsning. Det är signaturen för ultrastark koppling."

Antiresonans finns alltid i ljus-materia och materia-materia interaktioner men är en mindre närvaro jämfört med den dominanta resonansinteraktionen, konstaterade forskarna. Så var inte fallet med orthoferriterna som studerades av Kono-labbet.

Att exponera materialet för ett högt magnetiskt fält och luta kristallen med avseende på fältet pumpade antiresonans som var lika med och till och med överträffade resonansen.

Om ytterligare roterande magnetfält (t.ex. från cirkulärt polariserat ljus) introduceras, de föregående momenten samverkar starkt med fält som roterar med momenten (de samroterande fälten), medan de samverkar svagt med fält som roterar i motsatta riktningar (de motroterande fälten).

I kvantteorin, Bamba sa, dessa så kallade motroterande interaktioner leder till bisarra interaktioner där både ljus- och materiasubsystemen kan få eller förlora energi samtidigt. Interaktionerna mellan de magnetiska momenten och de motroterande fälten anses vara antiresonanta och har normalt liten effekt. Dock, i det materia-materiakopplade systemet som studerades vid Rice, de antiresonanta interaktionerna kan göras dominerande.

"Styrkan hos de samroterande och motroterande interaktionerna är vanligtvis en fast konstant i ett system, och effekterna av de samroterande interaktionerna dominerar alltid effekterna av de motroterande interaktionerna, " Sa Kono. "Men det här systemet är kontraintuitivt eftersom det finns två oberoende kopplingsstyrkor, och de är otroligt inställbara via kristallorientering och magnetfältstyrka. Vi kan skapa en ny situation där effekter från de motroterande termerna är mer dominerande än från de samroterande termerna.

"I system med lätt materia, när ljusets och materiens frekvenser blir lika, de blandas för att bilda en polariton, " sa han. "Något liknande händer i vårt fall, men det är mellan materia och materia. Två magnon-lägen hybridiserar. Det finns en långvarig fråga om vad som händer när hybridiseringsgraden blir så hög att den till och med överstiger resonansenergin.

"I en sådan regim, exotiska fenomen förutsägs uppstå på grund av motroterande interaktioner, inklusive ett pressat vakuumtillstånd och en fasövergång till ett nytt tillstånd där statiska fält spontant uppträder, " sa han. "Och vi fann att vi kan uppnå sådana förhållanden genom att ställa in magnetfältet."

Den nya studien främjar Kono-teamets ansträngningar att observera Dickes superstrålningsfasövergång, ett fenomen som skulle kunna skapa ett nytt exotiskt tillstånd av materia och leda till framsteg inom kvantminne och transduktion. Labbet hittade ett lovande tillvägagångssätt för att förverkliga det i materia-materiakoppling 2018, rapportera sin upptäckt i Vetenskap .

Upptäckten visar också att orthoferrit i ett magnetfält kan fungera som en kvantsimulator, ett enkelt och mycket inställbart kvantsystem som representerar ett mer komplext med ett svårlöst antal interagerande partiklar eller ett experimentellt otillgängligt parametrar, sa Kono.

Avstämbar magnon-magnon-koppling i orthoferriter kan användas för att ge insikt i naturen av grundtillståndet hos en ultrastark, kopplad lätt-materia hybrid, han sa.

Kono sa att deras fynd också kommer att leda till en sökning efter fler material som uppvisar effekten. "Rare-earth orthoferrites är en stor familj av material, och vi studerade bara en, " han sa.