Das ideale Substrat für Yttrium-Eisen-Garnet-Filme in der quantenmagnonik

Warum winzige magnetische Wellen wichtig sind

Quantencomputer benötigen fragile Quantenzustände, die lange genug erhalten bleiben, um nützliche Arbeit zu verrichten. Eine vielversprechende Methode, Quanteninformation zu übertragen, sind Magnonen — winzige magnetische Wellen, die sich durch ein Festkörpermaterial ausbreiten können. Diese Studie stellt eine sehr praxisnahe Frage: Welches Trägerkristall sollte man verwenden, damit diese Wellen mit möglichst geringen Energieverlusten gleiten können, selbst bei den ultrakalten Temperaturen, bei denen Quantenbauteile arbeiten?

Auf der Suche nach einem besseren Spielplatz

Magnonen verhalten sich wie Wellen auf einem Teich, nur dass der Teich ein magnetisches Material ist und die Wellen aus rotierenden Elektronen bestehen. Jahrelang war das Standardmaterial für solche Experimente ein Kristall namens Yttrium-Eisen-Garnet, kurz YIG, aufgewachsen als dünner Film. YIG ist bekannt dafür, dass seine magnetischen Wellen bei Raumtemperatur sehr langsam verklingen, was sich gut zum Signaltransport eignet. Traditionell werden diese Filme auf einem Trägerkristall namens Gadolinium-Gallium-Garnet (GGG) gezüchtet, dessen atomare Abstände sehr gut zu YIG passen. Diese gute Übereinstimmung sorgt dafür, dass der Film unter normalen Bedingungen glatt bleibt und geringe Verluste aufweist.

Das versteckte Problem bei eisigen Temperaturen

Quanten-Technologie arbeitet selten bei Raumtemperatur. Viele Experimente kühlen Geräte stattdessen auf nur wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Bei diesen eisigen Temperaturen entwickelt GGG eine eigene magnetische Reaktion und lässt sich leicht magnetisieren. Diese verborgene Magnetisierung dringt in den YIG-Film ein und erzeugt eine ungleichmäßige magnetische Landschaft. Das führt zu zusätzlicher Reibung für die Magnonen: Ihre Signale werden breiter und sterben schneller ab, wodurch die Zeit verkürzt wird, über die Quanteninformation kohärent bleiben kann. Frühere Arbeiten zeigten, dass dieser zusätzliche Verlust in YIG auf GGG bei niedrigen Temperaturen stark zunimmt und seine Nützlichkeit für Quanten-Schaltungen untergräbt.

Ein neuer ruhiger Partnerkristall

Die Autoren untersuchen einen anderen Trägerkristall, genannt YSGAG, der so entwickelt wurde, dass er dieselbe Kristallstruktur und Gitterabstände wie YIG beibehält, dabei aber im Wesentlichen nicht-magnetisch bleibt. Weil YSGAG diamagnetisch ist, entwickelt er selbst bei angelegtem Feld keine starke Magnetisierung, auch nicht bei Millikelvin-Temperaturen. Das Team wuchs sehr dünne YIG-Filme auf diesem neuen Material und, um fair zu vergleichen, bereiteten sie nahezu identische YIG-Filme auf dem Standard-GGG zu. Anschließend nutzten sie eine Technik namens ferromagnetische Resonanz, mit der gemessen wird, wie scharf die magnetischen Wellen über ein breites Spektrum an Frequenzen und Temperaturen reagieren — von Raumtemperatur bis zu wenigen Hundertsteln Kelvin.

Messung, wie ruhig sich Wellen ausbreiten

Bei Raumtemperatur schnitten beide Probentypen ähnlich gut ab: Die Magnonen in YIG auf YSGAG und in YIG auf GGG zeigten beide sehr geringe Energieverluste, vergleichbar mit den besten Filmen und sogar mit Bulk-Proben aus früheren Studien. Beim Abkühlen jedoch divergierte ihr Verhalten. In YIG auf GGG verbreiterten sich die Signalspitzen stark, was darauf hinweist, dass die Wellen deutlich schneller Energie verloren. In YIG auf YSGAG blieb die Verbreiterung über nahezu den gesamten Temperaturbereich gering. Die Forscher beobachteten zwar eine moderate Erhöhung der Verluste bei einigen Dutzend Kelvin, die sie winzigen Mengen von seltenen Erdmetall-Verunreinigungen zuschreiben, doch bei den kältesten Temperaturen sanken die Verluste wieder und blieben niedrig.

Was das für zukünftige Quantengeräte bedeutet

Das entscheidende Ergebnis ist, dass YIG-Filme, die auf dem neuen YSGAG-Kristall gewachsen wurden, ihr niedriges Verlustverhalten von der Raumtemperatur bis in den Millikelvin-Bereich beibehalten. Vereinfacht gesagt fügt das Trägerkristall keine magnetischen Störungen mehr hinzu, die die Energie der Magnonen aussaugen würden. Das macht YSGAG zu einer hervorragenden Plattform für die Entwicklung von Chips, die einzelne Magnonen in Quantennetzwerken leiten oder eine Verbindung zu supraleitenden Qubits herstellen. Mit weiteren Verbesserungen der Filmqualität könnten die Lebensdauern der Magnonen in diesen Strukturen an die in den besten Bulk-Proben beobachteten Werte heranreichen und so den Weg für praktische magnon-basierte Bauelemente in künftigen Quantentechnologien ebnen.

Zitation: Serha, R.O., Dubs, C., Guguschev, C. et al. The ideal substrate for yttrium iron garnet films in quantum magnonics. Commun Mater 7, 134 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01146-5

Schlüsselwörter: Quantenmagnonik, Yttrium-Eisen-Garnet, Verluste bei niedrigen Temperaturen, ferromagnetische Resonanz, diamagnetische Substrate