Des physiciens sont parvenus à prolonger la durée de vie du magnon, la quasi-particule qui transporte l’excitation collective des spins au sein d’un matériau magnétique, de 18 microsecondes, soit près de cent fois plus que toutes les autres valeurs observées jusqu’ici. Cette durée de vie constitue un défi de longue date dans la recherche sur cette quasi-particule, dont les applications pourraient ouvrir la voie à des technologies quantiques de nouvelle génération.
La cohérence quantique, c’est-à-dire le temps au cours duquel les particules intriquées maintiennent leurs états quantiques, constitue le principal pilier du traitement de l’information quantique. Le maintien de cette cohérence permet les opérations, le stockage et la transmission de données au sein des systèmes quantiques.
Parmi les systèmes envisagés pour le transport de l’information quantique, les matériaux solides semblent offrir d’importants avantages en matière d’évolutivité et d’adaptabilité. Au sein de ces plateformes, des quasi-particules bosoniques, notamment les photons, les polaritons et les magnons, sont explorées comme vecteurs potentiels de l’information quantique.
En particulier, les magnons aux fréquences gigahertz figurent parmi les quasi-particules bosoniques les plus prometteuses pour transporter l’information quantique. Toutefois, l’utilisation des magnons pour le transport de l’information quantique se heurte à un obstacle majeur : leur durée de vie, c’est-à-dire le temps pendant lequel ils peuvent transporter l’information quantique de manière fiable, demeure extrêmement courte.
La durée de vie des magnons était jusqu’à présent limitée à quelques centaines de nanosecondes, ce qui reste largement insuffisant pour un traitement de l’information quantique. Des chercheurs de l’Université de Vienne affirment être parvenus à multiplier cette durée de vie par près de cent.
« Ces résultats remettent en question la conception établie des limites de dissipation des magnons, positionnant ces derniers comme des porteurs d’information viables et à longue durée de vie pour l’informatique quantique à l’état solide », écrivent les chercheurs dans leur étude publiée le 1er mai dans la revue Science Advances.
Les magnons sont des quasi-particules se comportant comme des ondes de spin lorsqu’ils se propagent à l’intérieur d’un matériau magnétique solide. Par analogie, ils peuvent être comparés aux rides qui se forment à la surface de l’eau lorsqu’on y jette une pierre. Mais contrairement aux photons, qui se propagent dans le vide ou dans des fibres optiques, ils circulent uniquement au sein de solides magnétiques.
Étant donné que leurs longueurs d’onde peuvent se réduire à l’échelle du nanomètre, les circuits à base de magnons pourraient, en théorie, permettre une miniaturisation importante des circuits quantiques.
Des cristaux ultra-purs pour ralentir la dissipation quantique
D’autre part, les magnons interagissent naturellement avec d’autres quasi-particules comme les phonons et les photons, ce qui pourrait donner lieu à des systèmes quantiques hybrides. « Du fait de leur nature solide et de leur capacité à interagir avec de nombreux systèmes quantiques différents, les magnons pourraient servir de traducteurs universels dans les architectures quantiques hybrides, reliant des technologies qui, autrement, ne pourraient pas communiquer entre elles », indique un communiqué de l’Université de Vienne.
Pour prolonger la durée de vie du magnon, l’équipe de la nouvelle étude a utilisé des magnons de courte longueur d’onde plutôt que des magnons uniformes conventionnels. Cette stratégie a été spécifiquement adoptée, car les magnons de courte longueur d’onde sont intrinsèquement moins sensibles aux défauts de surface des cristaux magnétiques à l’intérieur desquels ils se propagent.
Les chercheurs ont également utilisé des sphères ultra-pures de grenat d’yttrium et de fer (YIG), refroidies dans un cryostat à phases mixtes à 30 millikelvins, soit une fraction de degré seulement au-dessus du zéro absolu. À cette température, les processus thermiques responsables de la dissipation des magnons sont fortement réduits.
Géométrie de l’expérience. (A) Des sphères de YIG de 0,3 mm de diamètre sont placées sur un guide d’ondes coplanaire (CPW). Un champ magnétique B₀ est appliqué le long du conducteur, assurant une direction transversale du champ d’excitation micro-ondes b⊥ et permettant ainsi une excitation optimale du mode de précession uniforme (FMR). Une entretoise en verre a été introduite afin de minimiser l’influence du couplage sur la largeur de raie mesurée. Les expériences ont été réalisées sur une large gamme de températures, de 300 K à 30 mK. (B) Schéma du processus de séparation à trois magnons. © Serha et al.
Une durée de vie déterminée par la pureté des matériaux
Alors qu’il a longtemps été admis que la durée de vie des magnons ne pouvait excéder quelques centaines de nanosecondes, les chercheurs sont parvenus à les maintenir pendant plus de 18 microsecondes. « Dans cet état, les magnons ne sont plus de simples signaux éphémères, mais deviennent des vecteurs d’information quantique fiables et persistants, comparables aux qubits supraconducteurs utilisés dans les processeurs quantiques les plus performants d’aujourd’hui », indique le communiqué.
Par ailleurs, l’équipe de l’étude a démontré que la durée de vie des magnons est en fait déterminée par le niveau de pureté des cristaux. En testant trois degrés de pureté différents pour les sphères de YIG, les chercheurs ont constaté que plus le matériau était pur, plus la durée de vie du magnon se prolongeait.
Toutefois, même l’échantillon le moins pur aurait surpassé tous les records précédents de durée de vie, selon l’équipe. Cela suggère que les prochaines avancées dans le domaine pourraient dépendre avant tout des progrès en science des matériaux.
