一種層状磁性半導体が量子ネットワークにおける最も難しい問題の一つを解決することが期待されています。研究者たちは、マイクロ波ハードウェアと光学システムの間で情報を伝達できるようにしたいと考えています。ニューヨーク市立大学の物理学者たちは、硫化クロムブロミウム（CrSBr）を使用してマイクロ波から光学への変換を実演しました。彼らの実験は、材料内部の磁波がマイクロ波信号をレーザー光束に刻印できることを示しています。この成果は、将来の量子プロセッサと長距離光学ネットワークとのインターフェースをサポートする可能性があります。
多くの量子プロセッサはマイクロ波周波数信号で動作しています。しかし、光ファイバーは長距離で情報を伝送するための実行可能なチャネルを提供します。この不一致は、接続された量子システムに重大なエンジニアリングの課題をもたらします。変換器は、信号を損なうことなく異なる周波数間で情報を変換する必要があります。CCNYチームはCrSBrを使用してこの変換を実行しました。この材料に含まれる磁気モーメントは、マイクロ波信号が加えられると集団的に応答します。これらの集団運動は、マグノン（magnons）と呼ばれる準粒子を生成します。その後、磁波は半導体内部のマグノンと相互作用します。
電子が正孔と結合すると、マグノンが形成されます。これらはまた、特定の光学共鳴近傍で光と強く相互作用します。この相互作用により、マイクロ波駆動の磁運動が反射されたレーザー光束に影響を与え、光信号が元のマイクロ波励起に一貫して従うことができるようになります。
研究が示すCrSBrの潜在的な応用
研究者たちは、約300メガヘルツのマイクロ波帯域幅での変換状況を測定しました。彼らはまた、外部磁場を加えることで動作周波数を変更しました。エンジニアリングの観点から、このデモの特に注目すべき詳細は、チームが共鳴器なしで大きな結晶を使用してこの効果を達成したことです。光学およびマイクロ波共鳴器は、周波数変換システム内の相互作用を強化することができます。これらの要素を取り除くことで、初期のデバイス開発においてより大きな柔軟性を提供できます。CrSBrは層状構造を持っており、将来のデバイスのサイズを縮小するのに役立ちます。
研究者たちは、材料を数層に減らしながら、その磁性と光学特性を保持できることを確認しました。
Vinod M. Menonチームのポスドク研究員Pratap Chandra Adakがこの研究を主導しました。彼は、この材料の構造がより強い相互作用とより緊密な統合の機会を創出していると述べています。CCNYのナノおよびマイクロフォトニクス研究室は、Menonの指導の下でこの作業を行いました。実験は物理的な変換メカニズムを示しましたが、個々の量子状態の転送はまだ行われていません。この区別は重要であり、量子通信には非常に高い効率が要求されます。変換プロセスでは、極めて少ない追加ノイズを導入する必要があります。
研究者たちは、システムを改善するいくつかの方法を特定しました。より薄いCrSBr層は、小型デバイス内部の相互作用を増加させることができます。マイクロ波共鳴器と高品質の光学キャビティは、変換を強化する別の手段を提供できます。チームはまた、マグノン-ポラリトン（excitons-polaritons）が光学損失を管理する方法の一つである可能性があると指摘しました。
Menonは、CrSBrが強い光学相互作用とマイクロ波周波数の磁性を同じ結晶内で結合していると述べています。層状磁性材料に対する研究を拡張することで、光子-磁性デバイスに適した他の組み合わせが明らかになる可能性があります。次のエンジニアリングの課題は、実験室のデモを高効率の量子インターフェースに変換することです。このステップは、将来の量子ネットワークにおけるこの材料の実用性を決定づけるでしょう。この研究は『Nature Materials』誌に発表されました。
項目 規格 材料 CrSBr マイクロ波周波数帯域幅 約 300 メガヘルツ