2D-магнитный полупроводник объединяет микроволны и свет в квантовом импульсе на частоте 300 МГц

18.09.2026
2D-магниты преобразуют микроволны в свет для будущих квантовых сетей

Производство полупроводников в будущем (репрезентативное изображение). Getty Images

Слоистый магнитный полупроводник может помочь решить одну из самых сложных проблем в квантовых сетях. Исследователи хотят обеспечить передачу информации между микроволновым оборудованием и оптическими системами.

Физики из Городского колледжа Нью-Йорка продемонстрировали преобразование микроволнового излучения в оптическое с помощью бромида сульфида хрома, или CrSBr. Их эксперимент показывает, как магнитные волны внутри материала могут преобразовывать микроволновые сигналы в лазерный свет. Этот результат может стать основой для будущих интерфейсов между квантовыми процессорами и оптическими сетями дальнего действия.

Новый путь к преобразованию

Многие квантовые процессоры работают с сигналами микроволнового диапазона. Однако оптическое волокно — это практичный способ передачи информации на большие расстояния. Это несоответствие создает серьезное инженерное препятствие для связанных квантовых систем. Преобразователь должен преобразовывать информацию между частотами, не разрушая сигнал. Команда CCNY использовала CrSBr для такого преобразования. Материал содержит магнитные моменты, которые коллективно реагируют на микроволновый сигнал. Эти коллективные движения создают квазичастицы, называемые магнонами. Затем магнитные волны взаимодействуют с экситонами внутри полупроводника.

Экситоны образуются, когда электрон связывается с дыркой. Они также сильно взаимодействуют со светом вблизи определенных оптических резонансов. Это взаимодействие позволяет магнитному движению, вызванному микроволновым излучением, влиять на отраженный лазерный свет. Таким образом, оптический сигнал когерентно следует за исходным микроволновым возбуждением.

Crsbr открывает новые возможности для проектирования

Исследователи измерили преобразование в микроволновом диапазоне шириной примерно 300 мегагерц. Они также изменили рабочую частоту, применив внешнее магнитное поле. Одна деталь делает эту демонстрацию особенно примечательной с инженерной точки зрения. Команда добилась такого эффекта, используя объемный кристалл без резонаторов. Оптические и микроволновые резонаторы могут усиливать взаимодействие в системах преобразования частоты. Отказ от этих компонентов может обеспечить большую гибкость на ранних этапах разработки устройств.

CrSBr также имеет слоистую структуру, которая может помочь инженерам уменьшить размеры будущих устройств. Исследователи могут уменьшить количество слоев материала до нескольких, сохранив его магнитные и оптические свойства. Пратап Чандра Адак, постдокторант в группе Винода М. Менона, руководил исследованием. По его словам, структура материала открывает возможности для более сильных взаимодействий и более тесной интеграции.

Лаборатория нано- и микрофотоники в Городском колледже Нью-Йорка провела работу под руководством Менона.

Квантовые сети еще впереди

Эксперимент демонстрирует механизм физического преобразования, но пока не позволяет передавать отдельные квантовые состояния. Это различие важно, поскольку квантовая связь требует чрезвычайно высокой эффективности. Кроме того, процесс преобразования должен вносить очень мало дополнительных помех. Исследователи определили несколько способов усовершенствовать систему. Более тонкие слои CrSBr могли бы усилить взаимодействие в устройствах меньшего размера. Микроволновые резонаторы и высококачественные оптические резонаторы могли бы стать еще одним путем к более эффективному преобразованию. Команда также указала на экситон-поляритоны как на возможный способ снижения оптических потерь.

По словам Менон, CrSBr сочетает в себе сильные оптические взаимодействия с магнетизмом на микроволновых частотах в одном кристалле. Дальнейшие исследования слоистых магнитных материалов могут привести к открытию других комбинаций, подходящих для оптомагнонических устройств.

Следующей инженерной задачей станет превращение лабораторной демонстрации в эффективный квантовый интерфейс. От этого шага может зависеть, насколько полезным окажется этот материал для будущих квантовых сетей.

Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.
Информация взята с: Interesting Engineering

Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!