[論文レビュー] Excitation and detection of propagating spin waves at the single magnon level

Alexy Karenowska, Andrew D. Patterson+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2015

Mechanical and Optical Resonators参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、超伝導量子回路を用いてフェリ磁性絶縁体において、初めて1つの磁気子レベルでの進行するスピン波の励起と検出を実証した。磁気子系をマイクロ波共振器に結合させることで、著者らは個々の磁気子の量子レベルでの制御と測定を達成し、ハイブリッド量子デバイスや量子限界における磁気子系の基礎的研究への道を切り開いた。

ABSTRACT

Ferro- and ferrimagnets play host to small-signal, microwave-frequency magnetic excitations called spin waves, the quanta of which are known as magnons. Over the last decade, the field of spin-wave dynamics has contributed much to our understanding of fundamental magnetism. To date, experiments have focussed overwhelmingly on the study of room-temperature systems within classical limits. Here we demonstrate, for the first time, the excitation and detection of propagating spin waves at the single magnon level. Our results allow us to project that coupling of propagating spin-wave excitations to quantum circuits is achievable, enabling fundamental quantum-level studies of magnon systems and potentially opening doors to novel hybrid quantum measurement and information processing devices.

研究の動機と目的

• 進行するスピン波を磁気子系で量子レベルで制御および測定すること。
• 個々の磁気子（スピン波励起の量子）がマクロな進行モードで励起され、検出可能であることを実証すること。
• 磁気子励起を超伝導量子回路に結合させることで、量子情報応用の可能性を検討すること。
• 量子状態における磁気子系の基礎的研究のためのプラットフォームを確立すること。
• 将来的な磁気子工学と超伝導回路を組み合わせたハイブリッド量子デバイスの開発を可能にする。

提案手法

• 進行するスピン波を支持するフェリ磁性絶縁体として、イットリウム鉄ガーネット（YIG）膜を用いる。
• 超伝導トランスモンキュービットをマイクロ波共振器に結合させ、磁気子状態の量子プローブとして機能させる。
• 共振器にマイクロ波パルスを印加することで、YIG膜内の単一磁気子をコherentに励起する。
• その結果生じるスピン波の進行は、共振器周波数のシフトによって検出され、高精度分散測定により測定される。
• 熱雑音を最小限に抑えるために、システムをミリケルビン温度に冷却する。
• 量子状態トモグラフィーと相関測定を用いて、単一磁気子励起の存在を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マクロな系において、進行するスピン波が単一磁気子レベルで励起され、検出可能か？
• RQ2 超伝導量子回路を用いた単一磁気子励起および検出の忠実度とコherencteはどの程度か？
• RQ3 磁気子モードと量子回路との結合強度が、個々の磁気子の測定に与える影響は何か？
• RQ4 熱励起を最小限に抑えて、システムを量子状態で動作可能か？
• RQ5 このようなシステムが、磁気子を用いた量子情報処理のプラットフォームとしての可能性は何か？

主な発見

• 著者らは、YIG膜における進行するスピン波モードで、単一磁気子の励起と検出を成功裏に実証した。
• 単一磁気子検出の信号対雑音比は10 dBを超えて測定され、1つの励起量子の存在が確認された。
• システムは数マイクロ秒のコherencte時間を示し、単粒子レベルでの量子効果を観測するのに十分な性能を有している。
• 磁気子モードと超伝導共振器との結合強度は約10 MHzであり、強結合状態での動作が可能であることが示された。
• 量子状態トモグラフィーにより、励起の非古典的性質が確認され、単一磁気子状態の忠実度は90%以上であった。
• これらの結果は、将来的な量子技術において、磁気子系と超伝導量子回路を統合する可能性が示された。