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Una svolta epocale nella tecnologia quantistica ha trasformato i magnon, minuscole onde magnetiche un tempo considerate troppo effimere per un utilizzo pratico, in promettenti vettori di informazione quantistica. I ricercatori ne hanno esteso la durata di quasi 100 volte, raggiungendo fino a 18 microsecondi, e hanno scoperto che il limite principale non è una legge della fisica, bensì la purezza del materiale stesso. Ciò significa che i futuri miglioramenti potrebbero derivare da processi di produzione più efficienti, piuttosto che da scoperte completamente nuove. Immagine Crediti: AI/TheSolver.It
Un team di fisici ha superato un ostacolo importante nell’informatica quantistica, aumentando drasticamente la durata dei magnon, minuscole onde magnetiche in grado di trasportare informazioni quantistiche. I ricercatori hanno esteso la loro durata da poche centinaia di nanosecondi a ben 18 microsecondi, quasi 100 volte di più rispetto a quanto ottenuto in precedenza. Questo progresso potrebbe in futuro contribuire alla realizzazione di computer quantistici ultracompatti, potenzialmente delle dimensioni di una moneta da un centesimo.
Il team di ricerca internazionale, guidato da Andrii Chumak dell’Università di Vienna, ha inoltre fatto un’importante scoperta. Hanno infatti constatato che la durata di vita dei magnon non è limitata in ultima analisi dalle leggi della fisica, bensì dalla qualità del materiale attraverso cui viaggiano. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances .
Cosa sono i Magnon?
I magnon sono minuscole onde di magnetizzazione che si propagano attraverso i solidi magnetici. Possono essere paragonati alle increspature che si formano sulla superficie di uno stagno dopo che vi si getta un sasso. A differenza dei fotoni, che viaggiano nello spazio vuoto o nelle fibre ottiche, i magnon rimangono all’interno dei materiali magnetici.
Grazie alla loro lunghezza d’onda che può ridursi a pochi nanometri, i circuiti basati sui magnon potrebbero potenzialmente essere integrati in chip non più grandi di quelli già presenti negli smartphone. I magnon interagiscono inoltre naturalmente con altre quasiparticelle fondamentali, tra cui fononi e fotoni, il che li rende elementi costitutivi interessanti per i sistemi quantistici ibridi e la metrologia quantistica.
Risoluzione del problema della durata di vita di Magnon
Per anni, una delle maggiori sfide per la tecnologia dei magnon è stata la loro brevissima durata di vita. Poiché potevano sopravvivere solo per poche centinaia di nanosecondi, scomparivano troppo rapidamente per poter immagazzinare o trasferire in modo affidabile informazioni quantistiche.
Il nuovo studio cambia completamente questo quadro. Aumentando la durata di vita dei magnon fino a 18 microsecondi, i ricercatori hanno trasformato questi segnali, un tempo fugaci, in vettori di lunga durata per l’informazione quantistica. Le loro prestazioni si avvicinano ora alle scale temporali necessarie per le tecnologie quantistiche pratiche e rendono i magnon paragonabili ai qubit superconduttori utilizzati nei processori quantistici più avanzati di oggi.
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Come i ricercatori hanno raggiunto la svolta
La svolta è stata possibile grazie alla combinazione di due importanti tecniche.
Innanzitutto, anziché utilizzare i tradizionali magnon uniformi, il team ha generato magnon a lunghezza d’onda corta. Questi sono naturalmente meno sensibili ai piccoli difetti sulla superficie del cristallo, che avevano ridotto la durata di vita dei magnon negli esperimenti precedenti.
In secondo luogo, i ricercatori hanno raffreddato sfere ultrapure di granato di ittrio e ferro (YIG) a soli 30 millikelvin all’interno di un criostato a fase mista. A temperature di appena una frazione di grado sopra lo zero assoluto, i processi termici che normalmente distruggono i magnon vengono di fatto bloccati.
Sono i materiali, non la fisica, a stabilire il limite.
Forse la scoperta più sorprendente è stata l’identificazione di ciò che ora limita la durata di vita dei magnon.
Testando tre sfere di YIG con diversi livelli di purezza, i ricercatori hanno scoperto uno schema chiaro. Più puro era il cristallo, più a lungo sopravvivevano i magnon. Persino il campione meno puro ha superato le prestazioni di tutti gli esperimenti precedenti.
I risultati suggeriscono che i futuri miglioramenti dipendono principalmente dai progressi nella scienza dei materiali, piuttosto che dal superamento di un’inevitabile legge di natura. Man mano che i ricercatori sviluppano materiali magnetici ancora più puri, la durata di vita dei magnon potrebbe continuare a migliorare.
Perché questo è importante per l’informatica quantistica
Con tempi di vita che raggiungono i 18 microsecondi, i magnon diventano molto più che semplici segnali temporanei. Potrebbero fungere da affidabili dispositivi di memoria quantistica e canali di comunicazione a bassa perdita per trasferire informazioni quantistiche attraverso un chip.
Secondo i ricercatori, i magnon potrebbero in futuro connettere centinaia di qubit attraverso un percorso condiviso, creando un “bus quantistico” a lungo ricercato che contribuirebbe a potenziare i futuri computer quantistici. Poiché i magnon interagiscono naturalmente con molti sistemi quantistici diversi, potrebbero anche fungere da traduttori universali, consentendo a tecnologie che normalmente non possono comunicare tra loro di collaborare.
Lo studio si basa su esperimenti condotti da Rostyslav Serha durante la sua ricerca di dottorato. Il progetto è stato coordinato dall’Università di Vienna in collaborazione con l’Università del Colorado a Colorado Springs e con istituti di ricerca in Germania, Stati Uniti e Ucraina. La coautrice Kaitlin McAllister ha partecipato tramite la Scuola di Dottorato in Fisica di Vienna, che offre tirocini a studenti di master di talento provenienti da tutto il mondo
Abstract
Le piattaforme a stato solido basate su quasiparticelle bosoniche offrono una via promettente verso tecnologie di informazione quantistica su chip scalabili a dimensioni nanometriche. Il tempo di coerenza, un parametro chiave per qualsiasi sistema quantistico, è fondamentalmente limitato dalla durata di vita delle quasiparticelle che immagazzinano l’informazione quantistica. Per i magnon – eccitazioni bosoniche della dinamica collettiva della magnetizzazione – è noto da tempo che la loro durata di vita non supera poche centinaia di nanosecondi, imponendo un vincolo stringente al loro utilizzo nelle architetture quantistiche. In questo lavoro, dimostriamo durate di vita dei magnon superiori a 18 microsecondi. Esperimenti condotti su sfere monocristalline di granato di ittrio e ferro raffreddate a 30 millikelvin rivelano tempi di rilassamento dei magnon a lunghezza d’onda corta quasi due ordini di grandezza superiori a quelli osservati in precedenza. Questi risultati ribaltano la visione consolidata dei limiti di dissipazione dei magnon, posizionando i magnon come vettori di informazione validi e di lunga durata per il calcolo quantistico a stato solido.
Geometria dell’esperimento.
( A ) Sfere di YIG di 0,3 mm di diametro sono posizionate sopra una guida d’onda coplanare (CPW). Il campo magnetico viene B₀ applicato lungo il conduttore, garantendo una direzione trasversale del campo di eccitazione a microonde b⊥ , con conseguente eccitazione più efficiente del modo di precessione uniforme (FMR). È stato introdotto un distanziatore di vetro per minimizzare l’influenza dell’accoppiamento sulla larghezza di riga misurata. Gli esperimenti sono stati condotti in un ampio intervallo di temperature da 300 K a 30 mK. La descrizione completa e dettagliata della configurazione sperimentale è presentata nei Materiali supplementari.
( B ) Diagramma schematico del processo di splitting a tre magnon. La dispersione DEM di massa è calcolata per un mezzo esteso per diversi angoli di propagazione θ tra il vettore d’onda k e il campo magnetico di polarizzazione B₀ . Il punto rosso indica il modo FMR (Kittel) della sfera, mentre i punti gialli indicano i DEM eccitati parametricamente a metà della frequenza FMR. La modalità FMR non giace sulle curve di dispersione perché corrisponde a un autovettore magnetostatico spazialmente uniforme della sfera finita piuttosto che a un magnone di massa propagante. L’iniziale Il magnone k = 0 a precessione uniforme (FMR a 3,17 GHz) si scinde in due magnon secondari a metà della frequenza FMR di 1,59 GHz. La conservazione del momento angolare e la simmetria dello spettro del magnone producono vettori d’onda uguali e opposti per i magnon secondari. I vettori d’onda dei magnon secondari si trovano intorno a 3 rad/μm e giacciono all’interno della regione spettrale DEM.
Approfondimenti
Materiale fornito dall’Università di Vienna . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Rostyslav O. Serha, Kaitlin H. McAllister, Fabian Majcen, Sebastian Knauer, Timmy Reimann, Carsten Dubs, Gennadii A. Melkov, Alexander A. Serga, Vasyl S. Tyberkevych, Andrii V. Chumak, Dmytro A. Bozhko. Ultralong-living magnons in the quantum limit. Science Advances, 2026; 12 (18) DOI: 10.1126/sciadv.aee2344
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