De natuurkunde aan de Universiteit van Wenen heeft een hardnekkig probleem opgelost. Ze lieten magnonen honderd keer langer leven.
Magnonen zijn magnetisatiegolven. Beschouw ze als rimpelingen op het water, alleen is het water vast magnetisch materiaal. In tegenstelling tot fotonen die door vacuüm of glasvezel vliegen, blijven deze opgesloten in vaste stoffen. Die opsluiting is vreemd nuttig. Hun golflengten kunnen krimpen tot nanometers. Dit betekent dat magnetische circuits uiteindelijk op smartphonechips zouden kunnen passen.
Er zit een addertje onder het gras. Ze zijn altijd te snel gestorven.
Een paar honderd nanoseconden? Nutteloos voor serieuze berekeningen.
Niet meer. Een team onder leiding van Wiener mat de levensduur van magnonen tot 18 microseconden. Het is gepubliceerd in Science Advances. Dat aantal lijkt misschien klein, maar in de kwantumtijd is het een eeuwigheid. Plots gedragen deze excitaties zich minder als vervagende signalen en meer als de betrouwbare supergeleidende qubits waarop de hedendaagse zware processors draaien. We kijken misschien naar een kwantumcomputer die klein genoeg is om op een cent te passen.
Koude kristallen verbergen de limiet
Twee trucjes veranderden alles.
Ten eerste stopte het team met het gebruik van uniforme magnonen met een lange golflengte. Die worden vernietigd door oppervlaktedefecten. Door over te schakelen naar kortegolfversies worden deze hobbels volledig omzeild. Oppervlakteproblemen doodden vroeger de levensduur voordat er iets interessants kon gebeuren.
Ten tweede is de temperatuur van belang.
De onderzoekers lieten extreem zuivere yttrium-ijzer-granaatbollen in een cryostaat vallen. Ze koelden ze af tot 30 millikelvin. Amper boven het absolute nulpunt. Warmte is hier de vijand. Thermische processen vernietigen magnonen normaal gesproken snel. Door ze in te vriezen stopt het verval.
Het resultaat was onverwacht.
De levensduurlimiet was geen harde natuurkundige wet. Het was gewoon vuil in het kristal.
Ze testten drie bollen van verschillende zuiverheid. Het patroon was duidelijk. Schoner materiaal staat gelijk aan een langere levensduur. Zelfs hun ‘onzuiverste’ sample versloeg eerdere wereldrecords. Dat is eigenlijk goed nieuws. We hebben geen nieuwe natuurkundige theorieën nodig. We hebben alleen betere materiaalwetenschap nodig.
Wat heeft een chip nu nodig?
Een levensduur van 18 microseconden verandert het spel.
Magnons zijn niet langer zwakke schakels. Ze worden herinnering. Het worden kanalen. Eén enkel magnetisch pad zou honderden qubits met elkaar kunnen verbinden. Zie het als een kwantumbus. Het lost een schaalbaarheidsprobleem op waar ingenieurs al jaren last van hebben.
Het zijn ook universele vertalers. Omdat ze zich in een vaste toestand bevinden, kunnen magnonen gemakkelijk met fononen, fotonen en andere quasideeltjes praten. In hybride architecturen weigeren verschillende kwantumtechnologieën vaak te spreken. Magnons overbruggen de kloof.
“Ultralanglevend” is een understatement. Het gaat nu om interactiedichtheid.
De weg vooruit is de productie, niet de theorie. Maak de YIG schoner en de golven gaan verder. We zijn er nog niet, maar het knelpunt is verschoven. Het gaat niet langer om het sterven van de golf. Het gaat om het materiaal dat het vasthoudt.
