Fizycy z Uniwersytetu Wiedeńskiego rozwiązali jeden z najbardziej uporczywych problemów: stukrotnie wydłużyli żywotność magnonów.
Magnony to fale namagnesowania. Pomyśl o nich jak o zmarszczkach na wodzie, ale zamiast wody znajduje się w nich stały materiał magnetyczny. W przeciwieństwie do fotonów, które przechodzą przez próżnię lub światłowód, magnony są uwięzione wewnątrz ciał stałych. To ograniczenie paradoksalnie staje się zaletą. Ich długość fali można zmniejszyć do nanometrów. Oznacza to, że w przyszłości obwody magnetyczne będą mogły zmieścić się w chipach smartfonów.
Jednakże jest pewien haczyk. Do tej pory „żyli” zbyt krótko.
Kilkaset nanosekund? Nie jest to przydatne do poważnych obliczeń.
Ale nie teraz. Zespół kierowany przez Wehnera zarejestrował czas życia magnonów do 18 mikrosekund. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Science Advances. Liczba ta może wydawać się niewielka, ale według standardów kwantowych jest to wieczność. Teraz te wzbudzenia zachowują się mniej jak tłumiony sygnał, a bardziej jak solidne kubity nadprzewodzące, które zasilają dzisiejsze procesory dużej mocy. Być może jesteśmy o krok od stworzenia komputera kwantowego, który będzie na tyle mały, że zmieści się na monecie.
Zimne kryształy usuwają ograniczenia
Dwie techniki radykalnie zmieniły sytuację.
Po pierwsze, zespół zaprzestał używania jednolitych magnonów o dużej długości fali. Zostały zniszczone przez wady powierzchniowe. Przejście na magnony krótkofalowe umożliwiło całkowite ominięcie tych zakłóceń. Wcześniej problemy z powierzchnią zabijały żywotność cząstek, zanim mogły nastąpić jakiekolwiek interesujące procesy.
Po drugie, temperatura ma znaczenie.
Naukowcy umieścili kule niezwykle czystego granatu żelaznego ziem rzadkich w kriostacie. Schłodzili je do 30 milikelwinów, czyli temperatury niewiele powyżej zera absolutnego. Głównym wrogiem jest tutaj ciepło. Procesy termiczne zwykle szybko niszczą magnony. Zamrożenie ich zatrzymuje ten rozkład.
Wynik był nieoczekiwany.
Okazało się, że granica czasu życia nie jest ścisłym prawem fizyki. To był po prostu „brud” w krysztale.
Przetestowali trzy kule o różnym stopniu czystości. Schemat był oczywisty: im czystszy materiał, tym dłużej żyją magnony. Nawet ich „najbrudniejsza” próbka pobiła poprzednie rekordy świata. To wspaniała wiadomość. Nie potrzebujemy nowych teorii fizycznych. Potrzebujemy po prostu lepszej materiałoznawstwa.
Czego potrzebuje teraz chip?
Żywotność wynosząca 18 mikrosekund zmienia zasady gry.
Magnony nie są już słabym ogniwem. Stają się wspomnieniami. Stają się kanałami komunikacji. Jedna linia magnetyczna może połączyć setki kubitów. Można o tym myśleć jak o autobusie kwantowym. Rozwiązuje to problem skalowalności, który nęka inżynierów od lat.
Ponadto pełnią rolę uniwersalnych tłumaczy. Ponieważ są w stanie stałym, magnony łatwo wchodzą w interakcję z fononami, fotonami i innymi kwazicząstkami. W architekturach hybrydowych różne technologie kwantowe często nie chcą ze sobą rozmawiać. Magnony wypełniają tę lukę.
Termin „bardzo długowieczny” nie jest pełnym opisem sytuacji. Teraz kluczowym czynnikiem jest gęstość interakcji.
Dalsza droga wiedzie przez produkcję, a nie teorię. Spraw, aby YIG (granat z żelaza ziem rzadkich) był czystszy, a fale będą podróżować dalej. Nie osiągnęliśmy jeszcze tego punktu, ale wąskie gardło się przesunęło. Problemem nie jest już to, że fala wymiera. Problem w tym, że materiał nie wytrzymuje wystarczająco długo.
