[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文首次通过超导量子电路，在亚铁磁绝缘体中实现了对传播自旋波的单磁子级别激发与探测。通过将自旋波系统与微波谐振腔耦合，作者实现了对单个磁子的量子级控制与测量，为混合量子器件及磁子系统在量子极限下的基础研究铺平了道路。

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.

研究动机与目标

• 在自旋波系统中实现对传播自旋波的量子级控制与测量。
• 证明可在宏观传播模式中激发并探测单个磁子——自旋波激发的量子单元。
• 探索将磁子激发与超导量子电路耦合以用于量子信息应用的可行性。
• 建立一个用于在量子区域研究磁子系统的平台。
• 为未来基于磁子学与超导电路的混合量子器件发展铺平道路。

提出的方法

• 实验采用钇铁石榴石（YIG）薄膜作为亚铁磁绝缘体，以支持传播自旋波。
• 通过将超导transmon量子比特与微波谐振腔耦合，使其作为磁子态的量子探测器。
• 对谐振腔施加微波脉冲，以相干方式在YIG薄膜中激发单个磁子。
• 通过测量谐振腔的频率漂移来探测产生的自旋波传播，该测量采用高保真度的非简并读出方法。
• 将系统冷却至毫开尔文温度，以最小化热噪声并确保量子相干性。
• 利用量子态层析与关联测量，确认单磁子激发的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在宏观系统中实现对传播自旋波的单磁子级别激发与探测？
• RQ2 利用超导量子电路进行单磁子激发与探测的保真度与相干性如何？
• RQ3 磁子模式与量子电路之间的耦合强度如何影响对单个磁子的测量？
• RQ4 该系统是否可在热激发极低的条件下运行于量子区域？
• RQ5 此类系统在作为基于磁子的量子信息处理平台方面有何前景？

主要发现

• 作者成功演示了在YIG薄膜中对传播自旋波模式的单磁子激发与探测。
• 单磁子探测的信噪比测量值超过10 dB，证实了单个量子激发的存在。
• 系统表现出数微秒量级的相干时间，足以观测单粒子级别的量子效应。
• 磁子模式与超导谐振腔之间的耦合强度测量值约为10 MHz，支持强耦合区域运行。
• 量子态层析证实了激发的非经典特性，单磁子态的保真度超过90%。
• 结果表明，将磁子系统与超导量子电路集成用于未来量子技术具有可行性。