DOI: https://doi.org/10.1063/5.0306423
تاريخ النشر: 2026-03-01
المؤلف: Rostyslav O. Serha وآخرون
الموضوع الرئيسي: سبائك هيوسلي: الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على المغنونية الكمومية، مع التركيز على الخصائص الكمومية للمغنون، وهي الكوانتا لموجات الدوران، وأهميتها في معالجة المعلومات الكمومية. جانب حاسم في تقدم هذا المجال هو تحديد المواد المغناطيسية التي تظهر أعمار مغنون طويلة، وهو أمر أساسي لتحفيز المغنون الفردي، والتحكم، والربط الهجين، والتشابك. تناقش المراجعة مواد مغناطيسية متنوعة، بما في ذلك المعادن الفيرومغناطيسية، ومركبات هيوسلر، والمغناطيسات المضادة، والمغناطيسات البديلة، والمغناطيسات العضوية ومغناطيسات فانديرفالز ثنائية الأبعاد، والهكسافيريتات، وكالكوجينيدات الإربيوم، وخاصة ياقوت الحديد الإيتريوم (YIG).
يتم تسليط الضوء على YIG كمادة معيارية، حيث تظهر البلورات الكتلية أعمار وضعية تحت الميكروثانية في وضع كيتل، وتحقق الكرات فائقة النقاء حوالي 18 ميكروثانية لمغنون تبادل ثنائي القطب عند درجات حرارة مللي كلفن. ومع ذلك، فإن الأفلام الرقيقة من YIG على ركائز غاليوم غادولينيوم (GGG) تعاني من تقليل كبير في العمر بسبب الخسائر الناتجة عن الركيزة. بالمقابل، تحافظ أفلام YIG على ركائز ياقوت إسكنديم غاليوم/ألومنيوم (YSGAG)، وهي ركيزة غير مغناطيسية متطابقة جديدة، على تخميد مغناطيسي منخفض عند درجات حرارة مللي كلفن، مما يتغلب على هذه القيود. تمهد هذه التطورات الطريق لمغنون طويل العمر في الأفلام الرقيقة، مما يسهل المغنونية الكمومية القابلة للتوسع مع النقل المتماسك، والربط القوي بين المغنون والفوتونات والمغنون والكيوبتات، وإمكانية الشبكات الكمومية المتكاملة.
مقدمة
تسلط المقدمة في ورقة البحث حول المغنونية الكمومية الضوء على إمكانيات المغنون—كوانتا بوسونية من تحفيزات موجات الدوران في المغناطيسات المرتبة—كحاملات معلومات قابلة للتطبيق في الحوسبة الكمومية. يستفيد هذا المجال من الحالات الكمومية للمغنون عند درجات حرارة مللي كلفن، حيث يتم تقليل التحفيزات الحرارية، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات في معالجة المعلومات الكمومية، والنقل المتماسك، وإعداد الحالات المتشابكة. من الجدير بالذكر أن التقدم في فهم الظواهر الكمومية الكبيرة، مثل تكثف بوز-أينشتاين والتيارات الفائقة المغنونية، قد تم تحقيقه، خاصة في الأنظمة المضادة المغناطيسية التي يمكن أن تعمل في نطاق التيراهيرتز.
تناقش الورقة التحديات المتعلقة بدمج الكيوبتات الفائقة التوصيل مع الأنظمة الرنانة المغناطيسية بسبب حساسية الكيوبتات للحقول المغناطيسية الخارجية، والتي تعتبر ضرورية لضبط الرنانات المغناطيسية. تشمل الاستراتيجيات للتخفيف من هذه المشكلة الفصل المكاني بين الكيوبتات والرنانات المغناطيسية واستخدام مواد فائقة التوصيل أكثر قوة. بالإضافة إلى ذلك، فإن تطوير الأفلام الرقيقة والركائز الجديدة قد مكن من انتشار المغنون، وهو أمر ضروري لتوسيع دوائر المغنونية الكمومية. تمهد هذه التطورات الطريق لتقنيات كمومية مستقبلية تستفيد من الخصائص الفريدة للمغنون في الهياكل الهجينة.
طرق
في هذا القسم، يناقش المؤلفون المواد المغناطيسية المختلفة ذات الصلة بالمغنونية، مع التركيز على قدرتها على دعم موجات الدوران بفعالية. يصنفون هذه المواد إلى مرشحين راسخين وناشئين، ويقدمون نظرة عامة مقارنة في الجدول I وأمثلة توضيحية في الشكل 1. يتم اشتقاق عمر المغنون في هذه المواد عادةً من قياسات الرنين لوضع كيتل الأساسي، حيث يتم استخدام العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) للرنين المغناطيسي، الممثل بـ $\Delta B$، لحساب عمر الإثارات المغناطيسية عبر العلاقة $\tau = \frac{1}{\gamma \cdot \Delta B}$، حيث تمثل $\gamma$ نسبة الجيرومغناطيسية.
يسلط المؤلفون الضوء على التمييز بين معامل التخميد الظاهري غيلبرت $\alpha$ وعمر المغنون الفعلي $\tau$، مشيرين إلى أنه بينما يصف $\alpha$ التخميد اللزج ضمن إطار لاندو-ليفشيتز-غيلبرت، فإنه لا يحدد أعمار المغنون بشكل فريد. العلاقة بين عرض الخط $\Delta B(f)$ ومعامل التخميد غيلبرت معطاة بـ $\Delta B(f) = \Delta B_0 + 4\pi\alpha \frac{\gamma}{f}$، حيث تأخذ $\Delta B_0$ في الاعتبار التوسع غير المتجانس. علاوة على ذلك، يشيرون إلى أن آليات مختلفة، مثل تشتت الشوائب والربط بين المغنون والفونونات، يمكن أن تؤثر على قياسات عرض الخط، مما يؤدي إلى انحرافات عن نموذج التخميد غيلبرت المتوقع. كما يشير المؤلفون إلى أنه في المغناطيسات المضادة، تختلف الديناميات وخصائص التخميد بشكل كبير عن تلك الموجودة في الفيرومغناطيسات والفيريمغناطيسات بسبب ترتيبها المغناطيسي ذو الطبقتين، مما يتطلب اعتبارًا دقيقًا عند مقارنة معاملات التخميد عبر أوامر مغناطيسية مختلفة.
نقاش
تسلط قسم النقاش في الورقة الضوء على التقدم والتحديات في فئات مختلفة من المواد المغناطيسية ذات الصلة بالمغنونية والمغنونية الكمومية. تُلاحظ المعادن الفيرومغناطيسية، مثل بيرمالوي وCoFeB، لامتلاكها مغنطة تشبع عالية وتحفيز فعال لموجات الدوران، مع قيم تخميد غيلبرت منخفضة (تصل إلى $\alpha \approx 5 \times 10^{-4}$) تم تحقيقها في سبائك مصممة. ومع ذلك، تحدد قنوات التبدد الداخلية أعمار المغنون في نطاق النانوثانية. تقدم مركبات هيوسلر خصائص محسنة، بما في ذلك استقطاب دوران عالي وتخميد مغناطيسي منخفض، مع معاملات تخميد غيلبرت فعالة حول $\alpha \sim 10^{-3}$ إلى $10^{-2}$. من الجدير بالذكر أن مركب هيوسلر الرباعي CMFS يظهر انتشار موجات دوران منخفضة التخميد، مما يجعل هذه المواد واعدة لنقل المغنون منخفض الفقد.
تظهر المغناطيسات المضادة، مثل الهيماتيت واليورانيوم أورثوفيريت، إمكانيات للنقل المتماسك للدوران والديناميات فائقة السرعة، على الرغم من أن أعمار المغنون القصيرة حاليًا تحد من تطبيقها في المغنونية الكمومية. تقدم المغناطيسات البديلة، التي تتميز بديناميات دوران فريدة، أيضًا فرصًا لظواهر نقل جديدة. تظهر مغناطيسات فانديرفالز ثنائية الأبعاد والمغناطيسات العضوية كمنصات قابلة للتعديل للمغنونية، مع خصائص واعدة مثل نقل المغنون لمسافات طويلة وتخميد منخفض. تظهر الهكسافيريتات، وخاصة هكسافيريت الباريوم، خسائر مغناطيسية منخفضة وتشغيل بترددات عالية، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات RF. أخيرًا، يتم تسليط الضوء على كالكوجينيدات الإربيوم وياقوت الحديد الإيتريوم (YIG) لإمكاناتها في التطبيقات الكمومية، حيث تحقق YIG أطول أعمار مغنون، وهو أمر أساسي لنقل المعلومات الكمومية. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات في تحسين تفاعلات الركيزة ونقاء المواد لتعزيز الأداء في المغنونية الكمومية.
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0306423
Publication Date: 2026-03-01
Author(s): Rostyslav O. Serha et al.
Primary Topic: Heusler alloys: electronic and magnetic properties
Overview
The section provides an overview of quantum magnonics, focusing on the quantum properties of magnons, which are the quanta of spin waves, and their relevance to quantum information processing. A critical aspect of advancing this field is the identification of magnetic materials that exhibit long magnon lifetimes, essential for single-magnon excitation, control, hybrid coupling, and entanglement. The review discusses various magnetic materials, including ferromagnetic metals, Heusler compounds, antiferromagnets, altermagnets, organic and 2D van der Waals magnets, hexaferrites, europium chalcogenides, and particularly yttrium iron garnet (YIG).
YIG is highlighted as the benchmark material, with bulk crystals demonstrating sub-microsecond Kittel-mode lifetimes and ultra-pure spheres achieving approximately 18 µs for dipolar-exchange magnons at millikelvin temperatures. However, thin YIG films on gadolinium gallium garnet (GGG) substrates experience significant lifetime reductions due to substrate-induced losses. In contrast, YIG films on yttrium scandium gallium/aluminum garnet (YSGAG), a new lattice-matched diamagnetic substrate, maintain low magnetic damping at millikelvin temperatures, thereby overcoming these limitations. These developments pave the way for ultralong-living magnons in thin films, facilitating scalable quantum magnonics with coherent transport, strong magnon-photon and magnon-qubit coupling, and the potential for integrated quantum networks.
Introduction
The introduction to the research paper on quantum magnonics highlights the potential of magnons—bosonic quanta of spin-wave excitations in ordered magnets—as viable information carriers for quantum computing. This field leverages quantum states of magnons at millikelvin temperatures, where thermal excitations are minimized, making them suitable for applications in quantum information processing, coherent transport, and entangled-state preparation. Notably, advancements in the understanding of macroscopic quantum phenomena, such as Bose-Einstein condensation and magnonic supercurrents, have been achieved, particularly in antiferromagnetic systems that can operate in the terahertz regime.
The paper discusses the challenges of integrating superconducting qubits with magnetic resonant systems due to the sensitivity of qubits to external magnetic fields, which are necessary for tuning magnetic resonators. Strategies to mitigate this issue include spatial separation of qubits and magnetic resonators and the use of more robust superconducting materials. Additionally, the development of thin films and novel substrates has enabled the propagation of magnons, which is essential for scaling quantum magnonic circuits. These advancements lay the groundwork for future quantum technologies that exploit the unique properties of magnons in hybrid architectures.
Methods
In this section, the authors discuss the various magnetic materials relevant to magnonics, emphasizing their ability to support spin waves effectively. They categorize these materials into established and emerging candidates, providing a comparative overview in Table I and illustrative examples in Figure 1. The magnon lifetime in these materials is typically derived from resonance measurements of the fundamental Kittel mode, where the full width at half maximum (FWHM) of the magnetic resonance, denoted as $\Delta B$, is used to calculate the lifetime $\tau$ of magnetic excitations via the relation $\tau = \frac{1}{\gamma \cdot \Delta B}$, with $\gamma$ representing the gyromagnetic ratio.
The authors highlight the distinction between the phenomenological Gilbert damping parameter $\alpha$ and the actual magnon lifetime $\tau$, noting that while $\alpha$ describes viscous damping within the Landau-Lifshitz-Gilbert framework, it does not uniquely determine magnon lifetimes. The relationship between linewidth $\Delta B(f)$ and the Gilbert damping parameter is given by $\Delta B(f) = \Delta B_0 + 4\pi\alpha \frac{\gamma}{f}$, where $\Delta B_0$ accounts for inhomogeneous broadening. Furthermore, they point out that various mechanisms, such as impurity scattering and magnon-phonon coupling, can influence linewidth measurements, leading to deviations from the expected Gilbert damping model. The authors also note that in antiferromagnets, the dynamics and damping characteristics differ significantly from those in ferro- and ferrimagnets due to their two-sublattice magnetic order, necessitating careful consideration when comparing damping parameters across different magnetic orders.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the advancements and challenges in various classes of magnetic materials relevant for magnonics and quantum magnonics. Ferromagnetic metals, such as Permalloy and CoFeB, are noted for their high saturation magnetization and efficient spin-wave excitation, with low Gilbert damping values (as low as $\alpha \approx 5 \times 10^{-4}$) achieved in engineered alloys. However, intrinsic dissipation channels limit magnon lifetimes to the nanosecond range. Heusler compounds offer improved properties, including high spin polarization and low magnetic damping, with effective Gilbert damping parameters around $\alpha \sim 10^{-3}$ to $10^{-2}$. Notably, the quaternary Heusler compound CMFS demonstrates low-damping spin-wave propagation, making these materials promising for low-loss magnon transport.
Antiferromagnets, such as hematite and yttrium orthoferrite, show potential for coherent spin transport and ultrafast dynamics, although their short magnon lifetimes currently limit their application in quantum magnonics. Altermagnets, characterized by unique spin dynamics, also present opportunities for novel transport phenomena. Two-dimensional van der Waals magnets and organic magnets are emerging as tunable platforms for magnonics, with promising properties such as long-distance magnon transport and low damping. Hexaferrites, particularly barium hexaferrite, exhibit low magnetic losses and high-frequency operation, making them suitable for RF applications. Lastly, europium chalcogenides and Yttrium Iron Garnet (YIG) are highlighted for their potential in quantum applications, with YIG achieving the longest magnon lifetimes, essential for quantum information transport. However, challenges remain in optimizing substrate interactions and material purity to enhance performance in quantum magnonics.