Идеальная подложка для пленок иттрий-железо-гарнетта в квантовой магнонике

Почему важны крошечные магнитные рябь

Квантовым компьютерам нужны хрупкие квантовые состояния, которые сохраняются достаточно долго, чтобы выполнять полезную работу. Один из перспективных способов переноса квантовой информации — через магноны, крошечные магнитные рябь, способные распространяться в твердом теле. В этом исследовании ставится вполне практический вопрос: какую подложку следует использовать, чтобы эти рябь могли скользить с минимальными энергетическими потерями, даже при сверхнизких температурах, где работают квантовые устройства?

Поиск лучшей «площадки»

Магноны ведут себя как волны на пруду, только пруд — это магнитный материал, а волны образованы вращающимися электронами. На протяжении многих лет основным материалом для таких экспериментов служил кристалл под названием иттрий-железо-гарнетт (YIG), выращиваемый в виде тонкой пленки. YIG известен тем, что его магнитные рябь затухают очень медленно при комнатной температуре, что отлично подходит для передачи сигналов. Традиционно такие пленки выращивают на подложке гадолиний-галлий-гарнетт (GGG), взаимная решетка которого хорошо согласована с YIG. Это хорошее соответствие обеспечивает гладкость пленки и низкие потери в обычных условиях.

Скрытая проблема при ледяных температурах

Квантовая техника редко работает при комнатной температуре. Многие эксперименты охлаждают устройства до нескольких тысячных градуса выше абсолютного нуля. При этих крайне низких температурах GGG проявляет собственный магнитный отклик и становится легко намагничиваемым. Эта скрытая магнитность проникает в пленку YIG и создает неоднородный магнитный ландшафт. В результате возникает дополнительное трение для магнонов: их сигналы расширяются в частоте и быстрее затухают, сокращая время, в течение которого квантовая информация остается когерентной. Предыдущие работы показали, что эти дополнительные потери в YIG на GGG становятся серьезными при низких температурах, подрывая его полезность для квантовых цепей.

Новый тихий кристалл-партнёр

Авторы рассматривают другую подложку, называемую YSGAG, спроектированную так, чтобы сохранять ту же кристаллическую структуру и межатомные расстояния, что и YIG, оставаясь при этом по сути немагнитной. Поскольку YSGAG является диамагнитным, он не приобретает сильного магнитного момента при приложенном поле, даже при милликельвинных температурах. Команда вырастила очень тонкие пленки YIG на этом новом материале и, для честного сравнения, также подготовила почти идентичные пленки YIG на стандартном GGG. Затем они использовали метод ферромагнитного резонанса, который измеряет, насколько резко откликаются магнитные рябь в широком диапазоне частот и температур — от комнатной температуры до нескольких сотых келвина.

Измерение того, как тихо проходят волны

При комнатной температуре оба типа образцов показывали примерно одинаково хорошие характеристики: магнонные волны в YIG на YSGAG и в YIG на GGG демонстрировали очень низкие потери энергии, сопоставимые с лучшими пленками и даже с объемными кристаллами из предыдущих исследований. Однако при охлаждении поведение образцов разошлось. В YIG на GGG пики сигналов сильно расширялись, что указывает на то, что волны теряли энергию гораздо быстрее. В YIG на YSGAG расширение оставалось небольшим почти на всём диапазоне температур. Исследователи заметили умеренный всплеск потерь в районе нескольких десятков келвинов, который они приписывают крошечным примесям редкоземельных элементов, но при самых низких температурах потери снова уменьшались и оставались низкими.

Что это значит для будущих квантовых устройств

Ключевой вывод заключается в том, что пленки YIG, выращенные на новой подложке YSGAG, сохраняют низкопотери от комнатной температуры до милликельвинных значений. Проще говоря, подложка больше не вносит магнитный шум, который бы отбирал энергию у магнитных рябь. Это делает YSGAG отличной платформой для создания чипов, маршрутизирующих отдельные магноны в квантовых сетях или связывающих их с сверхпроводящими кубитами. При дальнейшем совершенствовании качества пленок времена жизни магнонов в таких структурах могут приблизиться к наблюдаемым в лучших объемных образцах, что поможет проложить путь к практическим элементам на основе магнонов в будущих квантовых технологиях.

Цитирование: 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

Ключевые слова: квантовая магноника, иттрий-железо-гарнетт, затухание при низких температурах, ферромагнитный резонанс, диамагнитные подложки