[論文レビュー] Quantum engineering with hybrid magnonics systems and materials

D. D. Awschalom, Chao-Qun Du+20 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2021

Magneto-Optical Properties and Applications被引用数 8

ひとこと要約

このレビューでは、磁性体内の集団スピン励起（磁振子）を活用してマイクロ波光子、格子振動（フォノン）、スピン欠陥（NVセンターなど）と強い、調整可能な結合を実現するハイブリッド磁気フォノニクス系を、量子工学のための多様なプラットフォームとして探求する。主な貢献は、スケーラブルな量子技術のための柔軟でチップスケールのプラットフォームとして磁気フォノニクスを確立することであり、量子センシング、インターフェース、および新しい量子材料分野での実証的進展が示されている。

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.

研究の動機と目的

• 量子工学を進めるために、量子化されたスピン波（磁振子）をハイブリッド系に統合し、多様な量子モジュールと接続すること。
• 磁振子の調整可能性と強い結合性を活用して、スケーラブルな量子ビルドブロックの課題に取り組むこと。
• 設計された材料における磁振子-磁振子、磁振子-フォノン、磁振子-スピン相互作用を通じて、新しい量子機能を探索すること。
• 磁振子ベースのシステムを用いて、単一準粒子レベルでの量子センシングと変換を実現すること。
• 高度な光学的およびマイクロ波的特性評価を用いて、新興量子材料における新しい量子現象の同定と活用を図ること。

提案手法

• マイクロ波光子および音響フォノンと結合された回路型ハイブリッド磁気フォノニクス系を用い、動的量子制御を実現すること。
• 磁気フォノニクスの強い磁振子-磁振子相互作用と調整可能なスピン波スペクトルを実現するため、局所化された磁性ナノ構造を設計すること。
• ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）センターを量子プローブとして用い、磁振子の動的挙動をセンシングし、スピンキュービットの共鳴的制御を可能にすること。
• 磁気光学カー効果およびファラデー回転を含む高度な光学的手法を適用し、新規材料におけるスピン励起を特徴付けること。
• 調整可能なオプトエレクトロニクスおよびスピントロニクス特性を有するねじれ型ハイブリッド2次元材料（chiral-HMHs）を設計し、オプトスピントロニクス応用を実現すること。
• 強いスピン-軌道結合およびねじれ誘導スピン選択性（CISS）を有する材料を活用し、光子、電荷、スピンの間での相互変換を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッド量子系において、磁振子がマイクロ波光子およびフォノンと強い、調整可能な結合を実現するには、どのように設計すればよいか？
• RQ2 局所化された磁性構造における磁振子-磁振子相互作用は、非線形量子現象および共鳴的情報処理を可能にする役割を果たすか？
• RQ3 磁振子は、NVセンターとマイクロ波キャビティといった離れた量子モジュール間で共鳴的結合を媒介できるか？
• RQ4 新規量子材料、特に2次元およびねじれ半導体は、特異なスピン励起および磁振子スペクトルをどのように支持するか？
• RQ5 ねじれ型ハイブリッド2次元材料（chiral-HMHs）は、常温・溶液プロセシング可能なオプト磁気スピントロニクスデバイスの実現にどのような可能性を秘めているか？

主な発見

• 回路型システムにおける磁振子-マイクロ波光子結合により、外部磁場による周波数調整が可能な、ギガヘルツ未満の結合強度で高速かつ共鳴的な変換が実現された。
• 局所化された磁性構造における強い磁振子-磁振子結合により、非線形スピン波ダイナミクスの観測が可能となり、量子状態工学への応用が示唆された。
• 磁振子-NVセンター相互作用により、単一磁振子レベルでの量子センシングとスピンキュービットの共鳴的制御が可能となり、高い感度とコherenceを実証した。
• ねじれ型ハイブリッド2次元材料（chiral-HMHs）はCISS効果により大きなスピン偏極を示し、隣接するフェロ磁性基板における光学的磁化スイッチングを可能にした。
• 高度な光学的特徴評価により、2次元ファンデルワールスヘテロ構造を含む新規量子材料における豊富な磁振子スペクトルおよびスピン励起ダイナミクスが明らかになった。
• 溶液プロセシング可能な2次元材料における磁気フォノニクスとオプトエレクトロニクス・スピントロニクス機能の統合により、スケーラブルで常温動作可能な量子デバイスへの新たな道筋が開かれた。