Poiché gli oggetti quantistici sono sensibili all'ambiente circostante, la coerenza quantistica e gli stati quantistici possono essere facilmente distrutti a causa dell'impatto di segnali esterni, che possono includere rumore termico e segnali retrodiffusi nel circuito di misura. I ricercatori hanno quindi cercato di sviluppare tecniche per consentire la propagazione del segnale non reciproca, che potrebbe aiutare a bloccare gli effetti indesiderati del rumore all'indietro.

In un recente studio, i membri del gruppo di spintronica dinamica presso l'Università di Manitoba in Canada hanno proposto un nuovo metodo per produrre accoppiamento dissipativo nei sistemi quantistici ibridi. La loro tecnica, presentato in un articolo pubblicato in Lettere di revisione fisica , consente la propagazione del segnale non reciproca con un rapporto di isolamento sostanziale e controllabilità flessibile.

"Il nostro recente lavoro sulla non reciprocità nella magnonica delle cavità è radicato in un'area di ricerca che combina la spintronica delle cavità e i sistemi quantistici ibridi, che promette di costruire nuove piattaforme di elaborazione delle informazioni quantistiche, "Yi Pu Wang, un ricercatore post-dottorato presso l'Università di Manitoba che è stato coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org.

Negli ultimi decenni, gli studi nel campo della tecnologia quantistica hanno principalmente esplorato meccanismi di accoppiamento coerente tra sottosistemi, poiché i meccanismi di accoppiamento dissipativo non erano ancora stati ampiamente considerati e utilizzati nei sistemi quantistici ibridi. L'anno scorso, però, lo stesso team di ricercatori dell'Università del Manitoba ha svelato un nuovo intrigante tipo di accoppiamento dissipativo magno-fotone.

"Questa scoperta ci ha dato subito molta ispirazione, poiché l'accoppiamento dissipativo può essere utilizzato per rompere la simmetria di inversione del tempo a causa delle sue proprietà dissipative intrinseche, "Ha detto Wang. "Questo ci ha spinto a creare sistemi che combinano effetti di accoppiamento dissipativi e coerenti per ottenere proprietà non reciproche".

Nel loro nuovo studio, Wang e i suoi colleghi hanno deciso di sviluppare un dispositivo con elevato isolamento e basse perdite di inserzione nel regime lineare, poiché queste caratteristiche potrebbero aiutare lo sviluppo delle tecnologie dell'informazione quantistica. Il dispositivo che hanno creato ha due componenti chiave:un circuito a microonde planare a forma di croce e una piccola sfera di granato di ferro di ittrio (YIG).

"Il nostro dispositivo funziona in modo equivalente a un diodo a microonde, che consente alle microonde a determinate frequenze di lavoro progettate di propagarsi in una sola direzione, "Jinwei Rao, un dottorato di ricerca studente presso l'Università del Manitoba che è stato coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Il circuito incrociato planare è stato appositamente progettato per supportare la formazione di onde stazionarie e consentire alle onde in movimento di fluire su di esso".

Posizionando la sfera YIG sopra il circuito a microonde, i ricercatori sono stati in grado di stimolare interazioni cooperative tra le onde in viaggio, onde stazionarie, e spin magnetici. Queste interazioni consentono di sostenere nel tempo effetti di accoppiamento sia coerenti che dissipativi.

Wang, Rao e i loro colleghi hanno osservato che la fase relativa tra questi effetti di accoppiamento dipende dalla direzione di propagazione del segnale a microonde in ingresso. Sorprendentemente, nel sistema magnonico della cavità hanno sviluppato, questo segnale a microonde produce non reciprocità e invisibilità unidirezionale.

I ricercatori hanno anche sviluppato un semplice modello che delinea e cattura la fisica generale dietro l'interferenza tra accoppiamento coerente e dissipativo. Hanno scoperto che questo modello descriveva accuratamente le osservazioni raccolte su un'ampia gamma di parametri.

"Il nostro modello è descritto da un hamiltoniano non hermitiano in cui la forza di accoppiamento tra le eccitazioni del fotone e del magnon è un numero complesso, " Wang ha spiegato. "La parte reale di questa forza di accoppiamento rappresenta gli effetti di accoppiamento coerenti, e la parte immaginaria rappresenta effetti di accoppiamento dissipativo."

Il modello proposto dai ricercatori suggerisce che l'accoppiamento coerente è in qualche modo simile all'interazione tra due pendoli meccanici collegati da molle elastiche. Accoppiamento dissipativo, d'altra parte, ricorda l'interazione tra due pendoli collegati da un ammortizzatore, che introduce un attrito che a sua volta porta alla dissipazione di energia.

Nel dispositivo non reciproco creato da Wang, Rao e i loro colleghi la fase relativa tra gli effetti dell'accoppiamento coerente e dissipativo è descritta come un termine di fase. Questo termine di fase è strettamente correlato alla configurazione di caricamento del segnale a microonde in ingresso.

"Gli effetti di interferenza corrispondono sempre al ruolo dei termini incrociati, " disse Wang. "Di regola, l'effetto di interferenza tra A e B si riflette nel termine matematico di A moltiplicato per B, che può derivare dal quadrato di (A±B). Il termine incrociato degli accoppiamenti coerente e dissipativo originato dal termine quadrato della forza di accoppiamento complesso appare nel coefficiente di trasmissione."

Lo studio è tra i primi ad introdurre un metodo per produrre accoppiamento dissipativo nei sistemi magnonici a cavità. Utilizzando questo nuovo metodo, i ricercatori sono stati in grado di ottenere la non reciprocità in un sistema accoppiato, in un modo che potrebbe essere esteso anche all'accoppiamento in altri sistemi fisici oa diverse gamme di frequenza.

Poiché si ritiene che l'interazione tra accoppiamento coerente e dissipativo sia un fenomeno abbastanza comune nei sistemi accoppiati, l'approccio introdotto dai ricercatori potrebbe ispirare ulteriori ricerche in altre aree della fisica. Inoltre, sebbene il dispositivo che hanno sviluppato sia abbastanza semplice, hanno scoperto che conteneva e dimostrava effetti fisici nuovi ed eleganti.

"Prima di questo, l'accoppiamento coerente era un'area calda di ricerca, sebbene l'accoppiamento dissipativo sia stato studiato anche da alcuni fisici in campi selezionati, " Wang ha detto. "Tuttavia, queste forme di accoppiamento sono state generalmente studiate indipendentemente, poiché erano visti come il controllo delle proprie leggi fisiche uniche. Abbiamo scoperto che quando queste due forme di accoppiamento sono combinate nello stesso sistema ha luogo una reazione insolita, con il nostro esperimento che dimostra sistematicamente per la prima volta i peculiari fenomeni fisici che si manifestano nel sistema magnonico della cavità."

Il recente lavoro svolto dal team di spintronica dinamico presso l'Università di Manitoba apre un nuovo percorso per lo sviluppo della tecnologia quantistica, delineando la dinamica dell'accoppiamento dissipativo fotone-magnon nei sistemi quantistici ibridi. Le dinamiche fisiche non reciproche delineate dal loro modello potrebbero alla fine informare la progettazione di diversi dispositivi funzionali a microonde con molte possibili applicazioni, compresi gli isolatori, circolatori, sensori e commutatori.

"Come primo passo, il nostro gruppo è ora concentrato sull'invenzione di un isolatore a microonde portatile miniaturizzato che possa superare le prestazioni tecniche dei prodotti disponibili in commercio, "Dottor Can-Ming Hu, il capo del gruppo di spintronica dinamica presso l'Università di Manitoba, ha detto a Phys.org. "Un tale dispositivo è molto richiesto dalla comunità internazionale che sviluppa tecnologie dell'informazione quantistica, su cui il governo canadese, al fianco degli USA, UK, Giappone, e Cina, stanno investendo molto. Il futuro è molto luminoso per continuare la ricerca su questo nuovo percorso di Cavity Spintronics."

© 2019 Scienza X Rete