Magnoner är små vågor i magnetiseringen som färdas genom fasta magnetiska material, ungefär som de ringar som sprider sig över en damm när man kastar en sten i den.
Till skillnad från fotoner, som färdas genom tomt utrymme eller optiska fibrer, fortplantar sig magnoner inuti ett magnetiskt fast material. Deras våglängder kan minskas till nanometerområdet, vilket innebär att magnonkretsar i princip skulle kunna rymmas på ett chip som inte är större än de som finns i dagens smartphones. Dessutom, som en excitation i ett fast ämne, kopplas en magnon naturligt till många andra fundamentala kvantpartiklar – fononer, fotoner och andra – vilket gör den till en idealisk byggsten för hybridkvantsystem och kvantmetrologi.
Hittills har det funnits ett stort hinder: magnoner har haft en mycket kort livslängd. Denna livslängd – den period under vilken de pålitligt kan bära kvantinformation – var i bästa fall begränsad till några hundra nanosekunder. Alldeles för kort för någon praktisk kvantberäkning. Teamet under ledning av Wiener har nu gjort ett genombrott: fysikerna kunde mäta magnoners livslängd på upp till 18 mikrosekunder – nästan hundra gånger längre än något värde som observerats hittills.
I detta tillstånd är magnoner inte längre flyktiga signaler, utan blir långlivade, tillförlitliga bärare av kvantinformation, jämförbara med de supraledande kvantbitarna som används i dagens ledande kvantprocessorer. Studien har nyligen publicerats i tidskriften Science Advances.
Nyckeln till detta genombrott var en kombination av två idéer. För det första exciterade teamet, istället för konventionella enhetliga magnoner, kortvågiga magnoner, som i sig är okänsliga för ytdefekter i kristallen – just de defekter som hade begränsat livslängden i alla tidigare experiment. För det andra kylde forskarna ultrarena sfärer av yttriumjärngranat (YIG) i en kryostat med blandad fas till endast 30 millikelvin – en bråkdel av en grad över absolut noll. Vid denna extrema kyla fryser i praktiken alla termiska processer som vanligtvis förstör magnoner.
Avgörande var att teamet kunde visa att den återstående begränsningen för magnonernas livslängd inte bestäms av en grundläggande naturlag, utan av minimala spår av föroreningar i kristallen. Tre sfärer med varierande renhet testades, och resultatet var tydligt: ju renare materialet är, desto längre överlever magnonerna. Till och med det minst rena provet överträffade alla tidigare rekord. Detta innebär att ytterligare framsteg är en fråga om materialvetenskap – inte upptäckten av ny fysik – och vägen framåt ligger vidöppen.
Från höger till vänster står Rostyslav Serha, Andrii Chumak, David Schmoll och Sebastian Knauer framför en kryostat. Denna anordning används för att generera och stabilisera extremt låga temperaturer. Bild: Ian Ehm
Vad detta betyder för kvanttekniken
Med livslängder på 18 mikrosekunder förvandlas magnoner från förlustrika mellanled till robusta kvantminnen och kommunikationslänkar med låg förlust på ett chip. De skulle kunna koppla samman hundratals kvantbitar längs en gemensam väg – en efterlängtad ”kvantbuss” som skulle utgöra en saknad byggsten för skalbara kvantdatorer. Eftersom magnoner befinner sig i fast tillstånd och kopplas till många olika kvantsystem, skulle de kunna fungera som universella översättare i hybridkvantarkitekturer och länka samman tekniker som annars inte skulle kunna kommunicera med varandra.
Publikationsuppgifter
Ultralong-living magnons in the quantum limit, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aee2344
