Ett team av forskare från NUST MISIS och MIPT har utvecklat och testat en ny plattform för förverkligande av den extremt starka foton-till-magnon-kopplingen. Det föreslagna systemet är on-chip och är baserat på tunnfilmsheterostrukturer med supraledande, ferromagnetiska och isolerande skikt. Denna upptäckt löser ett problem som har varit på dagordningen för forskarlag från olika länder under de senaste 10 åren, och öppnar nya möjligheter för att implementera kvantteknik. Studien publicerades i den högt rankade tidskriften Vetenskapens framsteg.

Det senaste decenniet har sett betydande framsteg i utvecklingen av artificiella kvantsystem. Forskare utforskar olika plattformar, var och en med sina egna fördelar och nackdelar. Nästa kritiska steg för att utveckla kvantindustrin kräver en effektiv metod för informationsutbyte mellan plattformshybridsystem som kan dra nytta av distinkta plattformar. Till exempel, hybridsystem baserade på kollektiva spinnexcitationer, eller magnoner, håller på att utvecklas. I sådana system, magnoner måste interagera med fotoner, stående elektromagnetiska vågor fångade i en resonator. Den främsta begränsande faktorn för att utveckla sådana system är den fundamentalt svaga interaktionen mellan fotoner och magnoner. De är av olika storlekar, och följa olika spridningslagar. Denna storleksskillnad på hundra gånger eller mer komplicerar interaktionen avsevärt.

Forskare från MIPT, tillsammans med sina kollegor, lyckats skapa ett system med det som kallas den ultrastarka foton-till-magnon-kopplingen.

Vasilij Stolyarov, biträdande chef för MIPT-laboratoriet för topologiska kvantfenomen i supraledande system, kommenterade, "Vi skapade två delsystem. I ett, vara en smörgås från supraledare/isolator/supraledare tunna filmer, fotoner saktas ner, deras fashastighet reduceras. I en annan, som också är en smörgås från supraledare/ferromagnetiska/supraledare tunna filmer, supraledande närhet vid båda gränssnitten förbättrar de kollektiva spinnegenfrekvenserna. Den extremt starka foton-till-magnon-kopplingen uppnås tack vare den undertryckta fotonfashastigheten i det elektromagnetiska delsystemet. "

Igor Golovchanskiy, ledande forskare, senior forskare vid MIPT Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems, chef för NUST MISIS Laboratory of Cryogenic Electronic Systems, förklarade, "Fotoner interagerar väldigt svagt med magnoner. Vi lyckades skapa ett system där dessa två typer av excitationer interagerar väldigt starkt. Med hjälp av supraledare, vi har minskat den elektromagnetiska resonatorn avsevärt. Detta resulterade i hundra gånger minskning av fashastigheten för fotoner, och deras interaktion med magnoner ökade med flera gånger."

Denna upptäckt kommer att påskynda implementeringen av hybridkvantsystem, samt öppna upp för nya möjligheter inom supraledande spintronik och magnonic.