[论文解读] 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 8

一句话总结

本综述探讨了混合自旋电子学系统作为量子工程的多功能平台，利用磁性材料中的自旋集体激发——自旋波（magnons）——实现与微波光子、声子以及氮空位中心（NV centers）等自旋缺陷的强耦合与可调耦合。其主要贡献在于确立了自旋电子学作为一项灵活、芯片级的平台，适用于可扩展的量子技术，已在量子传感、互连以及新型量子材料方面取得显著进展。

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.

研究动机与目标

• 通过将量子化的自旋波（magnons）整合到与多种量子模块耦合的混合系统中，推动量子工程的发展。
• 通过利用自旋波的可调性与强耦合特性，应对可扩展量子模块构建的挑战。
• 通过在工程化材料中研究自旋波-自旋波、自旋波-声子及自旋波-自旋相互作用，探索新型量子功能。
• 利用基于自旋波的系统实现在单准粒子层面的量子传感与转换。
• 通过先进的光学与微波表征技术，识别并利用新兴量子材料中的新奇量子现象。

提出的方法

• 利用基于电路的混合自旋电子学系统，与微波光子和声学声子耦合，实现对量子态的动态控制。
• 设计受限的磁性纳米结构，以实现强自旋波-自旋波相互作用及可调的自旋波谱。
• 在金刚石中引入氮空位（NV）中心作为量子探针，用于探测自旋波动力学并实现自旋的相干操控。
• 应用先进的光学技术，包括磁光克尔效应与法拉第旋转，表征新型材料中的自旋激发。
• 设计具有可调光学与电学特性及自旋电子特性的手性混合二维材料（chiral-HMHs），用于光自旋电子学应用。
• 利用具有强自旋-轨道耦合及手性诱导自旋选择性（CISS）特性的材料，实现光子、电荷与自旋之间的相互转换。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过工程化手段实现自旋波在混合量子系统中与微波光子和声子的强耦合与可调耦合？
• RQ2 自旋波-自旋波相互作用在受限磁性结构中对非线性量子现象及相干信息处理起到何种作用？
• RQ3 自旋波能否在远距离量子模块（如NV中心与微波腔）之间实现相干耦合？
• RQ4 新型量子材料，特别是二维与手性半导体，如何支持独特的自旋激发与自旋波谱？
• RQ5 手性-HMHs在实现室温、溶液可加工的光磁自旋电子器件方面具有何种潜力？

主要发现

• 基于电路的自旋波-微波光子耦合实现了快速、相干的转换，具有亚吉赫兹量级的耦合强度，且可通过外加磁场调节频率。
• 受限磁性结构中的强自旋波-自旋波耦合使得非线性自旋波动力学得以观测，并为量子态工程提供了可能。
• 自旋波-NV中心相互作用实现了单自旋波级别的量子传感与自旋量子比特的相干操控，展现出高灵敏度与长相干性。
• 手性-HMHs通过CISS效应表现出显著的自旋极化，并能实现对邻近铁磁基底的光学诱导磁化翻转。
• 先进的光学表征揭示了新型量子材料（包括二维范德华异质结构）中丰富的自旋波谱与自旋激发动力学。
• 在溶液可加工的二维材料中，将自旋电子学与光电与自旋电子功能相结合，为可扩展的室温量子器件开辟了新途径。