Магноны с рекордным временем жизни: прорыв в квантовых технологиях на чипе

Исследователи из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и Калифорнийского университета в Риверсайде открыли новый класс магнонов — квазичастиц, представляющих собой коллективные возбуждения спинов в магнитных материалах. Эти магноны живут в сто раз дольше обычных, что открывает путь к созданию энергоэффективных квантовых устройств на чипе. Открытие было сделано на распространенном минерале гематите, что делает технологию доступной и недорогой.

Магноны — это кванты спиновых волн, которые переносят информацию без движения электронов, что делает их привлекательными для спинтроники и квантовых вычислений. Однако их короткое время жизни, обычно измеряемое наносекундами, ограничивало практическое применение. Новый класс магнонов, обнаруженный в антиферромагнетике — гематите (α-Fe2O3), демонстрирует время жизни до микросекунды, что в сто раз больше, чем у обычных магнонов.

Открытие в гематите: как это работает

Ученые использовали метод фемтосекундной лазерной накачки и зондирования, чтобы возбудить магноны в кристалле гематита и наблюдать их затухание. Оказалось, что магноны с определенной поляризацией — так называемые «темные» магноны — взаимодействуют гораздо слабее с окружающей средой, что и обеспечивает их долгую жизнь. Эти магноны не излучают энергию в виде фотонов, что уменьшает потери.

Гематит — распространенный минерал, известный как красный железняк. Он обладает антиферромагнитными свойствами, при которых спины соседних атомов направлены противоположно, что создает уникальные условия для существования долгоживущих магнонов. Исследователи подчеркивают, что открытие не требует экзотических материалов — гематит доступен и дешев.

Почему время жизни магнонов так важно для квантовых вычислений?

Время жизни магнонов напрямую определяет, как долго можно хранить и обрабатывать квантовую информацию. Для выполнения квантовых операций необходимо, чтобы когерентность сохранялась на временах, достаточных для манипуляций. Обычные магноны с временем жизни в наносекунды не позволяют проводить сложные операции, тогда как микросекундные времена открывают возможность для создания квантовых логических схем и памяти.

Предыстория и контекст

Поиск долгоживущих магнонов ведется давно, так как они могут стать основой для магнонных логических схем, которые потребляют меньше энергии, чем электронные. В 2010-х годах были достигнуты успехи в возбуждении магнонов в ферромагнетиках, но их время жизни оставалось ограниченным. Переход к антиферромагнетикам, таким как гематит, позволил подавить некоторые механизмы рассеяния.

Данное открытие также опирается на достижения в области ультрабыстрой спектроскопии, которая позволяет наблюдать процессы на пикосекундных масштабах. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters и получила поддержку Министерства энергетики США.

Чем отличаются новые магноны от обычных?

Обычные магноны в ферромагнетиках быстро теряют энергию из-за взаимодействия с решеткой и другими спинами. Новый класс магнонов в гематите — это «темные» магноны с определенной симметрией, которые слабо связаны с фононами (колебаниями решетки). Это позволяет им сохранять когерентность на микросекундных временах, что достаточно для выполнения квантовых операций.

Технические подробности и сравнение

В эксперименте использовались лазерные импульсы длительностью 100 фемтосекунд для возбуждения магнонов. Время жизни измерялось по затуханию спиновых колебаний с помощью отраженного лазерного луча. Для обычных магнонов в гематите время жизни составляло около 10 пикосекунд, а для нового класса — до 1 наносекунды (в сто раз больше). В других материалах, таких как железо-иттриевый гранат, время жизни магнонов достигает микросекунд, но только при низких температурах. Новый класс работает при комнатной температуре, что важно для практического применения.

Кого затронет и как

Открытие в первую очередь затронет разработчиков квантовых компьютеров и устройств спинтроники. Долгоживущие магноны могут стать основой для магнонных процессоров, которые будут работать на чипе и потреблять меньше энергии, чем традиционные кремниевые схемы. Для российских ученых это также открывает возможности: гематит широко распространен, а методы ультрабыстрой спектроскопии доступны в ведущих лабораториях. В перспективе это может привести к созданию квантовых повторителей и памяти для квантовых сетей.

Что будет дальше

Следующий шаг — демонстрация управления такими магнонами с помощью внешних полей и создание прототипов устройств. Исследователи планируют изучить, как изменяется время жизни при легировании гематита другими элементами. Ожидается, что в ближайшие 5-10 лет появятся экспериментальные чипы на основе долгоживущих магнонов.

Итог

Открытие нового класса магнонов с временем жизни в сто раз больше обычного — значительный шаг к созданию энергоэффективных квантовых технологий на чипе. Использование распространенного материала гематита и работа при комнатной температуре делают это достижение особенно перспективным для практической реализации.