[논문 리뷰] Quantum engineering with hybrid magnonics systems and materials

D. D. Awschalom, Chao-Qun Du외 20명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 05.

Magneto-Optical Properties and Applications인용 수 8

한 줄 요약

이 리뷰는 자성 물질 내 집단 스핀 진동수인 멀티온을 활용하여 마이크로파 광자, 진동수, NV 중심과 같은 스핀 결함과 강한 가변성 있는 결합을 가능하게 하는 하이브리드 멀티온이스 시스템을 탐구한다. 주요 기여는 확장 가능한 양자 기술을 위한 유연하고 칩 규모의 플랫폼으로 멀티온이스를 구축한 것으로, 양자 센싱, 인터커넥트, 그리고 새로운 양자 물질 분야에서의 진전이 입증되었다.

ABSTRACT

Quantum technology has made tremendous strides over the past two decades with remarkable advances in materials engineering, circuit design and dynamic operation. In particular, the integration of different quantum modules has benefited from hybrid quantum systems, which provide an important pathway for harnessing the different natural advantages of complementary quantum systems and for engineering new functionalities. This review focuses on the current frontiers with respect to utilizing magnetic excitatons or magnons for novel quantum functionality. Magnons are the fundamental excitations of magnetically ordered solid-state materials and provide great tunability and flexibility for interacting with various quantum modules for integration in diverse quantum systems. The concomitant rich variety of physics and material selections enable exploration of novel quantum phenomena in materials science and engineering. In addition, the relative ease of generating strong coupling and forming hybrid dynamic systems with other excitations makes hybrid magnonics a unique platform for quantum engineering. We start our discussion with circuit-based hybrid magnonic systems, which are coupled with microwave photons and acoustic phonons. Subsequently, we are focusing on the recent progress of magnon-magnon coupling within confined magnetic systems. Next we highlight new opportunities for understanding the interactions between magnons and nitrogen-vacancy centers for quantum sensing and implementing quantum interconnects. Lastly, we focus on the spin excitations and magnon spectra of novel quantum materials investigated with advanced optical characterization.

연구 동기 및 목표

• 다양한 양자 모듈과 하이브리드 시스템에서 양자화된 스핀파인 멀티온을 통합함으로써 양자 공학을 발전시키기.
• 멀티온의 가변성과 강한 결합성을 활용하여 확장 가능한 양자 빌딩 블록의 과제를 해결하기.
• 설계된 물질에서의 멀티온-멀티온, 멀티온-진동수, 멀티온-스핀 상호작용을 통해 새로운 양자 기능을 탐색하기.
• 멀티온 기반 시스템을 이용해 단일 준입자 수준의 양자 센싱 및 변환을 실현하기.
• 고급 광학 및 마이크로파 특성 분석을 통해 새로운 양자 현상을 규명하고 활용하기

제안 방법

• 마이크로파 광자와 청각 진동수와 결합된 회로 기반 하이브리드 멀티온이스 시스템을 활용하여 동적 양자 제어를 수행하기.
• 강한 멀티온-멀티온 상호작용과 조절 가능한 스핀파 스펙트럼을 가능하게 하기 위해 고립된 자성 나노구조를 설계하기.
• 멀티온 동역학을 감지하고 공명 스핀 조작을 가능하게 하기 위해 다이아몬드 내 질소빈약(NV) 중심을 양자 탐측 수 Mittel로 활용하기.
• 자기광학적 케르 효과와 파라데이 각도 변화와 같은 고급 광학 기법을 적용하여 신규 물질의 스핀 진동수를 특성화하기.
• 조절 가능한 옵티오전자 및 스핀트로닉스 특성을 지닌 족도성 하이브리드 2D 물질(chiral-HMHs)을 설계하여 옵티오스핀트로닉스 응용에 활용하기.
• 강한 스핀-오비트 결합성과 족도 유도 스핀 선택성(CISS)을 지닌 물질을 활용하여 광자, 전하, 스핀 간 상호 변환을 실현하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하이브리드 양자 시스템에서 마이크로파 광자와 진동수와의 강한 가변성 있는 결합을 가능하게 하기 위해 멀티온을 설계할 수 있는가?
• RQ2 고립된 자성 구조에서 멀티온-멀티온 상호작용은 비선형 양자 현상과 공명 정보 처리를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 멀티온은 먼 거리에 있는 양자 모듈, 예를 들어 NV 중심과 마이크로파 캐비티 사이에서 공명 결합을 매개할 수 있는가?
• RQ4 특히 2D 및 족도 반도체인 신규 양자 물질은 어떤 고유한 스핀 진동수와 멀티온 스펙트럼을 지원하는가?
• RQ5 족도성 하이브리드 2D 물질(chiral-HMHs)은 실온에서 용액 기반 공정을 통해 실현 가능한 옵티오마그노스핀트로닉스 장치를 가능하게 할 잠재력을 지니는가?

주요 결과

• 회로 기반 시스템에서의 멀티온-마이크로파 광자 결합은 외부 자기장에 의해 조절 가능한 주파수와 함께 수 GHz 이하의 결합 강도로 빠르고 공명적인 변환을 가능하게 한다.
• 고립된 자성 구조에서의 강한 멀티온-멀티온 상호작용은 비선형 스핀파 동역학의 관측과 양자 상태 설계의 잠재력을 제공한다.
• 멀티온-NV 중심 상호작용은 단일 멀티온 수준의 양자 센싱과 스핀 큐비트의 공명 조작을 가능하게 하며, 고감도와 긴 공명성을 입증한다.
• 족도성 하이브리드 2D 물질(chiral-HMHs)은 CISS 효과를 통해 큰 스핀 투과도를 나타내며, 인접한 강자성 기질의 광학적 유도 자기화 전환을 가능하게 한다.
• 고급 광학 특성 분석을 통해 2D 반데발스 헤테로구조를 포함한 새로운 양자 물질에서 풍부한 멀티온 스펙트럼과 스핀 진동수 동역학이 드러났다.
• 용액 기반 2D 물질에서 멀티온이스 기술과 옵티오전자 및 스핀트로닉스 功能을 통합함으로써 실온에서 확장 가능한 양자 장치를 위한 새로운 길이 열렸다.