在紧凑型磁振子-超导谐振器混合电路中，演示了两个远程耦合钇铁石榴石球之间的实时磁振子干涉。图片来源：Yi Li 和 Valentine Novosad/阿贡国家实验室

研究人员已经确定如何将磁振子（原子磁自旋的集体振动）用于下一代信息技术，包括具有磁系统的量子技术。

从存储数据的计算机硬盘到驱动发电厂的电动机和引擎，磁性是许多变革性技术的核心。磁性材料预计将在即将出现的新技术中发挥更大的作用：量子信息的传输和处理，以及量子计算机的开发。

美国能源部阿贡国家实验室的科学家领导的一项新研究开发了一种实时控制原子集体磁性的方法，并有可能将其应用于下一代信息技术。这项发现可能有助于开发未来的量子计算机，它可以执行当今计算机无法完成的任务，以及“片上”技术——将磁性系统嵌入半导体芯片或“片上”。

阿贡国家实验室领导的研究小组的突破性进展利用了每个原子都有其自身磁自旋（就像微型指南针一样）这一特性。当这些自旋一起移动时，它们会产生一种波或“激发”，称为磁振子。研究人员的方法使得实时控制磁振子成为可能，从而充分利用其信息处理潜力。

阿贡国家实验室助理科学家、报告这些结果的研究的主要作者李毅表示：“这些能力对于推进量子通信和计算至关重要。”

基于该研究的两篇论文于四月在《自然通讯》和《npj Spintronics》上发表。

在这项研究中，科学家们使用了两个由钇铁石榴石材料制成的小磁球。他们将磁球通过一个芯片与一个超导谐振器连接起来。这种装置使研究人员能够在两个相距遥远的磁球之间发送和接收磁振子信号。

研究团队发出了一个能量脉冲，该脉冲在两个球体之间同步来回传播。这种振荡表明，能量可以在球体之间以“相干”的方式传输，或者说，以一种易于理解的模式传输，就像远距离通话的两个人之间清晰的电话交谈一样。

研究人员发现，如果通过磁性芯片装置发送两个能量脉冲，这两个脉冲要么相互增强，要么一个脉冲抵消另一个脉冲，具体取决于它们之间的时间延迟。这些发现表明，磁振子可以相互干扰，类似于水中的波浪在重叠时产生的图案。

此外，研究小组发现，这种干涉特性之所以能够持续存在，是因为两个球体能够保持磁“耦合”，或者说能够储存在它们之间传播的脉冲能量。这类似于量子计算机中量子态在两个量子比特（或称量子位）之间转移的方式。

此外，通过发送多个能量脉冲，科学家们创造了复杂的干涉图案，类似于光衍射成不同光束时的样子。这展现了利用磁振子进行复杂信号和传输操作的潜力。

窗体底端

研究团队的结果表明，他们片上装置中的磁激发实现了李教授所说的“近乎完美的干涉”——这是在各种环境下充分发挥磁振子潜力的关键条件。他们的方法或将开辟利用磁振子处理信息的新途径，对量子计算机和其他先进技术的发展具有重要意义。

李教授表示：“这项研究展示了如何远程传输磁激发并实时执行干涉操作，这可能会对量子计算带来益处。虽然其真正的潜力尚不明确，但它为未来的探索提供了一个原型模型?！?/span>

使用磁性材料处理量子信息可以为量子计算机提供特定于这些系统的附加功能。例如，磁性材料可用于构建片上隔离器，有助于抑制量子“噪声”并提高量子计算机的清晰度。它们还可以将微波信号转换为光信号，这对于连接量子系统的不同部分至关重要。

“材料科学和物理学理解领域充满挑战和机遇。这项研究是关于芯片上美妙的物理学，涉及超导电路和低阻尼磁性材料。这是一项意义重大的工作，”阿贡国家实验室杰出研究员、资深材料科学家、该研究的另一位作者瓦伦丁·诺沃萨德（Valentine Novosad）说道。

这项新研究以 2019 年和2022 年发表的论文为基础，进一步探索如何将磁化和超导性结合起来，以及如何操纵钇铁石榴石球中的磁振子来存储信息和执行复杂的信息处理任务。

该磁振子装置是在纳米材料中心制造的，该中心是美国能源部科学办公室位于阿贡的一个用户设施。