Магноны с рекордным временем жизни: прорыв для квантовых технологий

Магноны — это квазичастицы, представляющие собой коллективные возбуждения спинов в магнитных материалах. Они рассматриваются как перспективные носители информации в квантовых устройствах благодаря своей способности переносить спин без движения заряда, что снижает потери энергии. Однако до сих пор их практическое использование ограничивалось коротким временем жизни — магноны быстро затухали, теряя когерентность. Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, демонстрирует, что в антиферромагнитном материале MnF₂ можно создать магноны с временем жизни, превышающим 100 наносекунд — примерно в сто раз дольше, чем у обычных магнонов. Это достижение может революционизировать разработку квантовых процессоров и устройств спинтроники.

Открытие долгоживущих магнонов в MnF₂

Группа исследователей под руководством профессора Нуха Геддика из MIT обнаружила, что в антиферромагнетике фториде марганца (MnF₂) существуют особые магноны, которые назвали "дипольными магнонами". Обычные магноны в ферромагнетиках живут всего несколько наносекунд, так как их спин-волновые возбуждения быстро рассеиваются из-за взаимодействия с решеткой и другими возбуждениями. В антиферромагнетиках, где спины соседних атомов выстроены антипараллельно, магноны могут иметь более длительное время жизни. В эксперименте ученые использовали метод фемтосекундной лазерной спектроскопии, чтобы возбудить магноны в MnF₂ и наблюдать их затухание. Результаты показали, что дипольные магноны сохраняют когерентность более 100 наносекунд при температуре 4 Кельвина, что в сто раз превышает время жизни обычных магнонов в том же материале. Это открытие подтверждает теоретические предсказания, сделанные ранее, но впервые реализованные экспериментально.

Почему магноны так важны для квантовых вычислений?

Магноны привлекают внимание исследователей благодаря своей способности переносить информацию без потерь энергии, связанных с движением заряда. В квантовых вычислениях они могут служить основой для кубитов — элементарных единиц квантовой информации. В отличие от сверхпроводящих кубитов, которые требуют экстремально низких температур, магнонные кубиты потенциально могут работать при более высоких температурах, что упрощает их практическое использование. Кроме того, магноны легко интегрируются с существующими полупроводниковыми технологиями, что делает их перспективными для создания гибридных квантово-классических устройств.

Предыстория и контекст

Поиск долгоживущих магнонов ведется уже несколько десятилетий, поскольку они являются ключевым компонентом для создания устройств спинтроники и квантовой обработки информации. В 2019 году исследователи из Университета Осаки сообщили о магнонах с временем жизни около 10 наносекунд в ферромагнетике иттриевом гранате (YIG). Однако YIG — это изолятор, что ограничивает его интеграцию с полупроводниковыми технологиями. Антиферромагнетики, такие как MnF₂, более совместимы с существующими наноэлектронными устройствами, так как они не создают паразитных магнитных полей. Открытие в MIT приближает возможность создания квантовых битов (кубитов) на основе магнонов, которые могут работать при более высоких температурах, чем сверхпроводящие кубиты, и быть масштабируемыми до нанометровых размеров.

Как это работает?

Магноны в антиферромагнетиках можно представить как волны спиновых возбуждений, распространяющиеся через кристаллическую решетку. Обычно такие волны быстро затухают из-за взаимодействия с фононами (колебаниями решетки) и другими магнонами. В дипольных магнонах, обнаруженных в MnF₂, ключевую роль играет диполь-дипольное взаимодействие между спинами, которое создает стабилизирующий эффект. Это взаимодействие подавляет рассеяние на фононах, что приводит к аномально долгому времени жизни. Для возбуждения магнонов использовался лазер с длиной волны 400 нм, который создавал резонансное возбуждение спинов в материале. Затем с помощью зондирующего лазера измерялось изменение намагниченности с временным разрешением в пикосекундах. Такой подход позволил впервые наблюдать дипольные магноны в чистом виде.

Технические подробности и сравнение с аналогами

Время жизни магнонов в MnF₂ составило 112 наносекунд при 4 К, что примерно в сто раз больше, чем у обычных магнонов в том же материале (около 1 наносекунды). Для сравнения, в YIG время жизни магнонов достигает 10 наносекунд, но при более низких температурах. В более высокотемпературных материалах, таких как NiO, магноны живут всего несколько пикосекунд. Таким образом, MnF₂ демонстрирует рекордное время жизни среди известных материалов. Исследователи также обнаружили, что время жизни увеличивается с понижением температуры, что согласуется с теорией. При 10 К оно составляло около 50 наносекунд. Это открывает путь к созданию устройств, работающих при температурах жидкого гелия, что достижимо в лабораторных условиях. Важно отметить, что MnF₂ является антиферромагнетиком, поэтому он не создает внешнего магнитного поля, что упрощает его интеграцию с другими компонентами на чипе.

Кого затронет и как

Открытие долгоживущих магнонов в первую очередь затронет исследователей в области квантовых вычислений и спинтроники. Разработчики квантовых процессоров смогут рассмотреть магноны как альтернативу сверхпроводящим кубитам или квантовым точкам. Магнонные кубиты потенциально могут работать при более высоких температурах (до 10 К) и быть более устойчивыми к декогеренции. Для производителей полупроводниковых чипов это означает возможность создания гибридных устройств, где магноны используются для передачи информации между электронными компонентами без нагрева. В России и СНГ исследованиями магнонов занимаются, например, в Институте физики твердого тела РАН и в МФТИ. Однако данное открытие может стимулировать новые проекты по созданию магнонных логических элементов. Для инвесторов в квантовые технологии это сигнал о том, что магнонные подходы становятся более конкурентоспособными.

Что будет дальше

Исследователи из MIT планируют продолжить изучение дипольных магнонов, чтобы понять, как можно увеличить их время жизни еще больше. Они также намерены исследовать другие антиферромагнитные материалы, такие как FeF₂ и CoF₂, которые могут иметь аналогичные свойства. В перспективе, возможно создание магнонных кубитов, которые будут работать при температурах до 77 К (температура жидкого азота), что значительно упростит их коммерциализацию. Однако для этого потребуется решить проблему управления отдельными магнонами и их считывания. В ближайшие годы можно ожидать появления первых прототипов магнонных логических вентилей и квантовых повторителей на основе этого открытия.

Итог

Открытие нового класса магнонов с временем жизни в сто раз больше обычного — значительный шаг вперед в квантовых технологиях. Оно приближает создание практичных квантовых устройств на чипе, которые могут работать при более высоких температурах и быть масштабируемыми до наноразмеров. Следите за развитием этой области, так как в ближайшие годы магноны могут стать основой для нового поколения квантовых компьютеров и спинтронных устройств.