用于量子磁子学的钇铁石榴石薄膜的理想基底

为什么微小的磁波至关重要

量子计算机需要脆弱的量子态在足够长的时间内存续以完成有用的工作。一种有前景的传递量子信息的方式是通过磁子——在固体中传播的微小磁性波动。本文研究一个非常实际的问题：为了让这些波动在超低温（量子器件工作的环境）下尽可能以最小能量损失传播，我们应选择哪种支撑晶体？

寻找更理想的“游乐场”

磁子像水池中的波纹一样传播，只不过“水池”是磁性材料，而波动来自电子自旋。多年来，用于此类实验的主力材料是名为钇铁石榴石（YIG）的晶体，以薄膜形式生长。YIG 著名之处在于其磁波在室温下衰减很慢，这非常有利于信号传输。传统上，这些薄膜生长在一种名为镓铬石榴或称钆铝石榴（GGG）的支撑晶体上，因其晶格间距与 YIG 非常匹配。这种良好的匹配使薄膜在日常条件下保持平整并且损耗低。

在极低温下隐藏的问题

量子技术很少在室温下运行。相反，许多实验将器件冷却到接近绝对零度的千分之一开尔文量级。在这些极寒温度下，GGG 会出现自身的磁响应并变得容易磁化。那种隐藏的磁性会渗入到 YIG 薄膜中，形成不均匀的磁性景观。结果是磁子的额外摩擦：它们的信号变宽并更快衰减，缩短了量子信息保持相干的时间。先前的工作表明，低温下 YIG 在 GGG 上的额外损耗会变得严重，从而削弱其在量子电路中的实用性。

一种新的低噪声支撑晶体

作者们考察了一种不同的支撑晶体，称为 YSGAG，该晶体被设计为在保持与 YIG 相同晶格结构和间距的同时基本不具磁性。由于 YSGAG 是抗磁性的，即便在毫开尔文温度下施加磁场时也不会产生强烈的磁矩。研究团队在这种新材料上生长了非常薄的 YIG 薄膜，并且为了公平比较，还在标准的 GGG 上制备了几乎相同的 YIG 薄膜。随后他们使用一种称为铁磁共振的技术，测量磁波在广泛频率和温度范围内的响应锐度，从室温一直到几百分之一开尔文。

测量波动传播的宁静程度

在室温下，两类样品的表现相当相近：YIG 在 YSGAG 和 YIG 在 GGG 上的磁子都表现出很低的能量损耗，可与早期研究中最好的薄膜甚至散装晶体相媲美。然而在冷却过程中，它们的行为开始分化。在 YIG/GGG 样品中，信号峰显著变宽，表明波动能量损失加快。而在 YIG/YSGAG 中，峰值展宽在几乎整个温度区间内都保持较小。研究者确实在几十开尔文附近观察到一个适度的损耗峰，他们将其归因于微量的稀土杂质，但在最冷的温度下损耗又再次下降并保持低水平。

对未来量子器件的意义

关键结论是：在新的 YSGAG 晶体上生长的 YIG 薄膜能将其低损耗特性从室温保持到毫开尔文温度。简单来说，支撑晶体不再引入会消耗磁子能量的磁噪声。这使得 YSGAG 成为构建在量子网络中路由单个磁子或连接超导量子比特的优良平台。随着薄膜质量的进一步提升，这些结构中磁子的寿命可能接近最佳散装样品的水平，从而为未来实用的基于磁子的量子元件铺平道路。

引用: 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

关键词: 量子磁子学, 钇铁石榴石, 低温阻尼, 铁磁共振, 抗磁性基底