Magnon-squeezing in het kwantumregime

Luisteren naar de stilste magneten

Wetenschappers duwen voortdurend tegen de grenzen van wat meetbaar is, van zwakke rimpelingen in de ruimtetijd tot fluisteringen van donkere materie. Daarvoor hebben ze manieren nodig om de willekeurige kwantumtrillingen te temmen die een klein signaal normaal gesproken vervagen. Dit artikel laat zien hoe die trillingen gekalmeerd kunnen worden in een nieuw soort systeem dat bestaat uit biljoenen kleine magnetische momenten die samen optreden. Door hun fluctuaties in een speciale "squeezed" vorm te dwingen, openen de onderzoekers een weg naar ultrasensitieve detectoren en nieuwe testen van waar de kwantumfysica ophoudt en de alledaagse ervaring begint.

Vele spins die als één handelen

In bepaalde kristallen kunnen de magnetische momenten van ontelbare atomen in harmonie bewegen en zich gedragen als één trillend object. Deze collectieve magnetisatiegolven worden magnons genoemd. Het team werkte met een bolletje van het materiaal yttrium-ijzer-garnaal, slechts een millimeter groot maar met ruwweg tien miljard miljard spins. In deze bol gedraagt de eenvoudigste trilling—waarbij alle spins uniform precesseren—zich als een zeer schone, langlevende kwantumoscilator. Hierdoor zijn zulke bolletjes aantrekkelijke kandidaten voor het bouwen van kwantumatoestellen die de kloof overbruggen tussen microscopische schakelingen en macroscopische, bijna tastbare objecten.

Een magneet leren kwantumsqueezing te voelen

Kwantumsqueezing betekent de onzekerheid in één eigenschap van een systeem verkleinen terwijl er extra onzekerheid in een complementaire eigenschap wordt toegestaan, vergelijkbaar met het veranderen van een cirkel van mogelijke posities en impulsen in een dunne ellips. Voor licht heeft dit al geleid tot verbeteringen in waarnemingsinstrumenten voor zwaartekrachtsgolven. Maar hetzelfde doen voor magnons in een groot vast materiaal is moeilijk geweest, omdat de natuurlijke interacties die hun kwantumruis kunnen hervormen uiterst zwak zijn. De auteurs lossen dit op door het magnetische bolletje en een klein supergeleidend schakelingetje—een transmonqubit—binnen één gedeelde microgolfholte te plaatsen die tot ongeveer tienduizendsten van een graad boven het absolute nulpunt is gekoeld. De holte laat de qubit en de magnonmodus sterk op elkaar inwerken zonder voortdurend echte energie uit te wisselen, waardoor een effectieve niet-lineaire interactie ontstaat die de kwantumtoestand van de magnons kan vormgeven.

De kwantumruis vormen en bekijken

Door de frequentie van de qubit zorgvuldig te tunen met een gecontroleerde microgolfdrive, realiseren de onderzoekers een zelfinteractie in de magnonmodus die bekendstaat als een Kerr-nonlineariteit. Tegelijkertijd drijven ze de magnons zachtjes aan zodat ze niet in hun natuurlijke grondtoestand blijven. Onder deze gecombineerde werking vervormt de kwantumatoestand van de magnons geleidelijk in een abstracte "faseruimte", en evolueert van een ronde vlek naar een gedraaide, squeezed vorm. Om deze onzichtbare transformatie te zien, ontwikkelt het team een magnon-ondersteund Raman-proces: een tweestapsinteractie die informatie op een controleerbare manier tussen de magnons en de qubit uitwisselt. Met de qubit als probe reconstrueren ze een volledig portret van de magnontoestand, bekend als de Wignerfunctie, op verschillende evolutietijden.

Aantonen dat het echt kwantum is

De gereconstrueerde portretten tonen de kenmerkende handtekeningen van squeezing: één quadratuur van de magnonbeweging vertoont verminderde fluctuaties vergeleken met het kwantum-"vacuum", terwijl de orthogonale quadratuur juist ruiser is. Kwantitatief bereikt de ruisreductie ongeveer 1 decibel onder het vacuumniveau. Cruciaal is dat het gemiddelde aantal magnons gedurende het hele experiment onder één blijft, wat betekent dat het effect geen grote, klassieke trilling is maar een echte hervorming van piepkleine kwantumfluctuaties. Het team volgt ook hoe deze fragiele toestand vervalt. Wanneer de geconstrueerde interactie wordt uitgeschakeld, ontspant het squeezed patroon zich terug naar een ronde, onvervormde vorm op een tijdschaal van ongeveer 145 miljardsten van een seconde. Als de interactie aan blijft, werkt die gedeeltelijk tegen dit verval in en blijft de zichtbaar squeezing meer dan twee keer zo lang bestaan.

Een nieuw instrument voor ultra-precieze detectie

Dit werk toont aan dat zelfs een vast object met een enorm aantal spins naar een delicaat squeezed kwantumtoestand gestuurd kan worden en lang genoeg vastgehouden kan worden om nuttig te zijn. Door de koppeling te versterken en het magnetische materiaal verder te verfijnen, zouden sterkere squeezing en langere levensduren haalbaar moeten zijn. Dergelijke verbeteringen zouden direct kunnen vertalen naar scherpere kwantumsensoren voor zwaartekrachtsgolven, axionen van donkere materie en andere moeilijk te vangen verschijnselen, en bieden tegelijkertijd een nieuw speelveld om te onderzoeken hoe kwantumgedrag op macroscopische schalen overleeft—of faalt.

Bronvermelding: Weng, YC., Xu, D., Chen, Z. et al. Magnon squeezing in the quantum regime. Nat Commun 17, 2679 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69312-4

Trefwoorden: kwantumsqueezing, magnonica, yttrium-ijzer-garnaal, hybride kwantumsystemen, kwantummetrologie