Un team di scienziati di NUST MISIS e MIPT ha sviluppato e testato una nuova piattaforma per la realizzazione dell'accoppiamento fotone-magnon ultra forte. Il sistema proposto è on-chip e si basa su eterostrutture a film sottile con superconduttori, strati ferromagnetici e isolanti. Questa scoperta risolve un problema che è stato nell'agenda dei gruppi di ricerca di diversi paesi negli ultimi 10 anni, e apre nuove opportunità nell'implementazione delle tecnologie quantistiche. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista di alto livello Progressi scientifici.

L'ultimo decennio ha visto progressi significativi nello sviluppo di sistemi quantistici artificiali. Gli scienziati stanno esplorando diverse piattaforme, ognuno con i suoi vantaggi e svantaggi. Il prossimo passo fondamentale per far progredire l'industria quantistica richiede un metodo efficiente di scambio di informazioni tra sistemi ibridi di piattaforme che potrebbero trarre vantaggio da piattaforme distinte. Per esempio, sistemi ibridi basati su eccitazioni collettive di spin, o magnon, sono in via di sviluppo. In tali sistemi, i magnoni devono interagire con i fotoni, onde elettromagnetiche stazionarie intrappolate in un risonatore. Il principale fattore limitante per lo sviluppo di tali sistemi è l'interazione fondamentalmente debole tra fotoni e magnoni. Sono di diverse dimensioni, e seguono diverse leggi di dispersione. Questa differenza di dimensioni di cento volte o più complica notevolmente l'interazione.

Scienziati del MIPT, insieme ai loro colleghi, è riuscito a creare un sistema con quello che viene chiamato l'accoppiamento fotone-magnon ultra forte.

Vasily Stolyarov, vice capo del Laboratorio MIPT di fenomeni quantistici topologici nei sistemi superconduttori, commentato, "Abbiamo creato due sottosistemi. In uno, essendo un sandwich di film sottili di superconduttore/isolante/superconduttore, i fotoni sono rallentati, la loro velocità di fase è ridotta. In un altro, che è anche un sandwich di film sottili di superconduttori/ferromagnetici/superconduttori, la vicinanza superconduttiva ad entrambe le interfacce migliora le frequenze proprie di spin collettivo. L'accoppiamento fotone-magnon ultra forte è ottenuto grazie alla velocità di fase del fotone soppressa nel sottosistema elettromagnetico".

Igor Golovchanskij, ricercatore di spicco, ricercatore senior presso il MIPT Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems, capo del Laboratorio di Sistemi Elettronici Criogenici NUST MISIS, spiegato, "I fotoni interagiscono molto debolmente con i magnoni. Siamo riusciti a creare un sistema in cui questi due tipi di eccitazione interagiscono molto fortemente. Con l'aiuto dei superconduttori, abbiamo notevolmente ridotto il risonatore elettromagnetico. Ciò ha comportato una riduzione di cento volte della velocità di fase dei fotoni, e la loro interazione con i magnon è aumentata di parecchie volte."

Questa scoperta accelererà l'implementazione di sistemi quantistici ibridi, oltre ad aprire nuove possibilità nella spintronica superconduttiva e nella magnonica.