Como os objetos quânticos são suscetíveis ao ambiente circundante, a coerência quântica e os estados quânticos podem ser facilmente destruídos devido ao impacto de sinais externos, que pode incluir ruído térmico e sinais retroespalhados no circuito de medição. Os pesquisadores têm, portanto, tentado desenvolver técnicas para permitir a propagação de sinal não recíproco, o que poderia ajudar a bloquear os efeitos indesejáveis ​​do ruído reverso.

Em um estudo recente, membros do grupo de spintrônica dinâmica da Universidade de Manitoba, no Canadá, propuseram um novo método para produzir acoplamento dissipativo em sistemas quânticos híbridos. Sua técnica, apresentado em um artigo publicado em Cartas de revisão física , permite a propagação de sinal não recíproco com uma taxa de isolamento substancial e controlabilidade flexível.

"Nosso trabalho recente sobre a não reciprocidade na magnônica de cavidade é baseado em uma área de pesquisa que combina spintrônica de cavidade e sistemas quânticos híbridos, que é uma promessa para a construção de novas plataformas de processamento de informações quânticas, "Yi-Pu Wang, um pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Manitoba que estava envolvido no estudo, disse a Phys.org.

Nas ultimas decadas, estudos no campo da tecnologia quântica exploraram principalmente mecanismos de acoplamento coerente entre subsistemas, como mecanismos de acoplamento dissipativo ainda não foram amplamente considerados e utilizados em sistemas quânticos híbridos. Ano passado, Contudo, a mesma equipe de pesquisadores da Universidade de Manitoba revelou um novo tipo intrigante de acoplamento magnon-fóton dissipativo.

"Esta descoberta imediatamente nos deu muita inspiração, porque o acoplamento dissipativo pode ser usado para quebrar a simetria de inversão de tempo devido às suas propriedades dissipativas inerentes, "Disse Wang." Isso nos levou a criar sistemas que combinam efeitos de acoplamento dissipativos e coerentes para obter propriedades não recíprocas. "

Em seu novo estudo, Wang e seus colegas decidiram desenvolver um dispositivo com alto isolamento e baixas perdas de inserção no regime linear, já que essas características podem auxiliar no desenvolvimento de tecnologias de informação quântica. O dispositivo que eles criaram tem dois componentes principais:um circuito de micro-ondas em forma de cruz planar e uma pequena esfera de granada ítrio-ferro (YIG).

"Nosso dispositivo funciona de forma equivalente a um diodo de micro-ondas, que permite que as microondas em certas frequências de trabalho projetadas se propaguem em apenas uma direção, "Jinwei Rao, um Ph.D. estudante da Universidade de Manitoba que estava envolvido no estudo, disse a Phys.org. "O circuito cruzado planar foi especialmente projetado para suportar a formação de ondas estacionárias e permitir que as ondas viajantes fluam sobre ele."

Ao colocar a esfera YIG no topo do circuito de microondas, os pesquisadores foram capazes de estimular interações cooperativas entre as ondas viajantes, ondas estacionárias, e spins magnéticos. Essas interações permitem que os efeitos de acoplamento coerentes e dissipativos sejam sustentados ao longo do tempo.

Wang, Rao e seus colegas observaram que a fase relativa entre esses efeitos de acoplamento depende da direção de propagação do sinal de micro-ondas de entrada. Notavelmente, no sistema magnônico de cavidade que desenvolveram, este sinal de microondas produz não reciprocidade e invisibilidade unidirecional.

Os pesquisadores também desenvolveram um modelo simples que descreve e captura a física geral por trás da interferência entre o acoplamento coerente e dissipativo. Eles descobriram que este modelo descreveu com precisão as observações reunidas em uma ampla gama de parâmetros.

"Nosso modelo é descrito por um hamiltoniano não hermitiano, onde a força de acoplamento entre as excitações do fóton e do magnon é um número complexo, "Wang explicou." A parte real dessa força de acoplamento representa os efeitos de acoplamento coerentes, e a parte imaginária representa os efeitos de acoplamento dissipativos. "

O modelo proposto pelos pesquisadores sugere que o acoplamento coerente é algo semelhante à interação entre dois pêndulos mecânicos conectados por molas elásticas. Acoplamento dissipativo, por outro lado, assemelha-se à interação entre dois pêndulos conectados por um amortecedor, o que introduz um atrito que, por sua vez, leva à dissipação de energia.

No dispositivo não recíproco criado por Wang, Rao e seus colegas, a fase relativa entre os efeitos do acoplamento coerente e dissipativo é descrita como um termo de fase. Este termo de fase está intimamente relacionado à configuração de carregamento do sinal de micro-ondas de entrada.

"Os efeitos de interferência sempre correspondem ao papel dos termos cruzados, "Disse Wang." Como regra, o efeito de interferência entre A e B é refletido no termo matemático de A multiplicado por B, que pode vir do quadrado de (A ± B). O termo cruzado dos acoplamentos coerentes e dissipativos originados do termo quadrado da força de acoplamento complexo aparece no coeficiente de transmissão. "

O estudo está entre os primeiros a introduzir um método para produzir acoplamento dissipativo em sistemas magnônicos de cavidade. Usando este novo método, os pesquisadores foram capazes de alcançar a não reciprocidade em um sistema acoplado, de uma forma que também poderia ser estendida ao acoplamento em outros sistemas físicos ou em diferentes faixas de frequência.

Como a interação entre o acoplamento coerente e dissipativo é considerada um fenômeno bastante comum em sistemas acoplados, a abordagem introduzida pelos pesquisadores pode inspirar novas pesquisas em outras áreas da física. Além disso, embora o dispositivo que desenvolveram seja bastante simples, eles descobriram que ele continha e demonstrou efeitos físicos novos e elegantes.

"Antes desta, acoplamento coerente era uma área quente de pesquisa, embora o acoplamento dissipativo também tenha sido estudado por alguns físicos em campos selecionados, "Disse Wang." No entanto, essas formas de acoplamento foram geralmente estudadas de forma independente, visto que eles eram vistos como controlando suas próprias leis físicas únicas. Descobrimos que, quando essas duas formas de acoplamento são combinadas no mesmo sistema, ocorre uma reação incomum, com nosso experimento demonstrando sistematicamente pela primeira vez os fenômenos físicos peculiares que surgem no sistema magnônico de cavidade. "

O recente trabalho realizado pela equipe de spintrônica dinâmica da Universidade de Manitoba abre um novo caminho para o desenvolvimento da tecnologia quântica, delineando a dinâmica do acoplamento dissipativo fóton-magnon em sistemas quânticos híbridos. A dinâmica física não recíproca delineada por seu modelo poderia eventualmente informar o projeto de diferentes dispositivos funcionais de microondas com muitas aplicações possíveis, incluindo isoladores, circuladores, sensores e comutadores.

"Como primeiro passo, nosso grupo está agora focado na invenção de um isolador portátil de micro-ondas miniaturizado que pode superar o desempenho técnico de produtos disponíveis comercialmente, "Dr. Can-Ming Hu, o chefe do grupo de spintrônica dinâmica da Universidade de Manitoba, disse a Phys.org. "Esse dispositivo é altamente exigido pela comunidade internacional de desenvolvimento de tecnologias de informação quântica, em que o governo canadense, ao lado dos EUA, REINO UNIDO, Japão, e China, estão investindo pesadamente. O futuro é muito promissor para a continuidade da pesquisa neste novo caminho da Cavity Spintronics. "

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