Det ideala underlaget för yttriumjärngarnet-filmer i kvantmagnonik

Varför små magnetiska vågor spelar roll

Kvantdatorer behöver sköra kvanttillstånd som överlever tillräckligt länge för att utföra meningsfullt arbete. Ett lovande sätt att föra kvantinformation är via magnoner, små magnetiska vågor som kan färdas genom ett fast ämne. Denna studie ställer en mycket praktisk fråga: vilken typ av stödjande kristall bör vi använda så att dessa vågor kan glida med så liten energiförlust som möjligt, även vid de ultrakalla temperaturer där kvantenheter arbetar?

Sökandet efter en bättre lekplats

Magnoner beter sig som vågor på en damm, förutom att dammen är ett magnetiskt material och vågorna består av snurrande elektroner. I åratal har arbetsmaterialet för sådana experiment varit en kristall kallad yttriumjärngarnet, eller YIG, odlad som en tunn film. YIG är känt för att dess magnetiska vågor avtar mycket långsamt vid rumstemperatur, vilket är utmärkt för att överföra signaler. Traditionellt odlas dessa filmer på ett stödmaterial kallat gadoliniumgallatgarnet, eller GGG, vars atomavstånd matchar YIG mycket väl. Den goda matchningen håller filmen slät och med låg förlust under vardagliga förhållanden.

Det dolda problemet vid iskalla temperaturer

Kvantteknik fungerar sällan vid rumstemperatur. Istället kyler många experiment enheterna till bara några tusendelar av en grad över absoluta nollpunkten. Vid dessa iskalla temperaturer utvecklar GGG en egen magnetisk respons och blir lätt magnetiserat. Denna dolda magnetism läcker in i YIG-filmen och skapar ett fläckigt magnetiskt landskap. Resultatet är extra friktion för magnonerna: deras signaler breddas och dämpas snabbare, vilket förkortar den tid över vilken kvantinformationen kan förbli koherent. Tidigare arbete visade att denna extra förlust i YIG på GGG blir allvarlig vid låga temperaturer och underminerar dess användbarhet i kvantkretsar.

En ny tyst partnerkristall

Författarna undersöker en annan stödjande kristall, kallad YSGAG, som designats för att behålla samma kristallstruktur och gitteravstånd som YIG samtidigt som den förblir i huvudsak icke-magnetisk. Eftersom YSGAG är diamagnetiskt utvecklar det inte ett starkt magnetiskt moment när ett fält appliceras, även vid millikelvin-temperaturer. Teamet växte mycket tunna YIG-filmer på detta nya material och, för en rättvis jämförelse, förberedde också nästan identiska YIG-filmer på standard-GGG. De använde sedan en teknik kallad ferromagnetisk resonans, som mäter hur skarpt de magnetiska vågorna svarar över ett brett frekvens- och temperaturspann, från rumstemperatur ner till några hundradelar av en kelvin.

Mätning av hur tyst vågorna färdas

Vid rumstemperatur presterade båda typerna av prover likartat väl: magnonvågorna i YIG på YSGAG och YIG på GGG visade båda mycket låg energiförlust, jämförbar med de bästa filmerna och till och med bulkkristaller som använts i tidigare studier. När proverna kyltes ned skiljde sig dock deras beteende åt. I YIG på GGG bredde signaltopparna ut sig kraftigt, vilket indikerar att vågorna förlorade energi mycket snabbare. I YIG på YSGAG förblev utbredningen liten över i stort sett hela temperaturintervallet. Forskarna observerade en måttlig ökning i förluster kring tiotals kelvin, vilket de tillskriver små mängder sällsynta jordartsföroreningar, men vid de kallaste temperaturerna sjönk förlusterna igen och förblev låga.

Vad detta betyder för framtida kvantenheter

Det centrala resultatet är att YIG-filmer odlade på den nya YSGAG-kristallen behåller sitt lågförlustbeteende från rumstemperatur hela vägen ner till millikelvin. Enkelt uttryckt tillsätter inte längre stödkrystallens magnetism brus som skulle urholka energin hos magnonvågorna. Detta gör YSGAG till en utmärkt plattform för att bygga chip som dirigerar enstaka magnoner i kvantnätverk eller ansluter till supraledande qubits. Med ytterligare förbättringar av filmkvaliteten skulle magnonerna i dessa strukturer kunna nå livstider som närmar sig dem som ses i de bästa bulkproverna, vilket hjälper till att bana väg för praktiska magnonbaserade komponenter i framtida kvantteknik.

Citering: 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

Nyckelord: kvantmagnonik, yttriumjärngarnet, lågtemperaturdämpning, ferromagnetisk resonans, diamagnetiska underlag