Argonne and UIUC、伝搬スピン波と超伝導回路の初のオンチップ結合を実証

2026年10月15日・2分で読めます

Physical Review Lettersに掲載された研究論文において、Argonne National LaboratoryとUniversity of Illinois Urbana-Champaign (UIUC)の科学者らは、磁性薄膜中の伝搬スピン波（マグノン）を単一チップ上の超伝導共振器に直接結合する、初の概念実証ハイブリッド回路を実証した。

超伝導回路は量子デバイスにおける標準的なマイクロ波処理コンポーネントとして機能する一方、回路を逆方向に漏れる信号ノイズの影響を受けやすい。スピン波（材料中を伝搬する磁気励起）は、特定の条件下で自然に一方向性（非相反）伝搬を示す。エピタキシャルイットリウム鉄ガーネット（YIG）磁性膜上に窒化ニオブ（NbN）超伝導コプレーナ導波路共振器を直接作製することにより、研究チームはマイクロ波光子と伝搬するDamon-Eshbachモードおよび後方体積スピン波モードとの間の強結合を達成した。

[ ハイブリッドスピン波/超伝導回路パラメータ ]
システムパラメータ	材料/形状の選択	実験性能と値
• 磁性層	• エピタキシャルイットリウム鉄ガーネット（YIG、100 nm）	• スパッタリングにより成膜された超低損失磁性絶縁体薄膜。
• 基板の選択	• 希土類フリーのY3Sc2Ga3O12（YSGG）	• 従来のGGG基板に存在する低温マイクロ波吸収を排除。
• 回路層	• 窒化ニオブ（NbN）λ/4およびミアンダ共振器	• マイクロメートル規模の幅が、短いスピン波モードをミリメートル規模のマイクロ波光子に整合させる。
• 結合強度（g/2π）	• 最大150 MHz（Damon-Eshbachモード）	• 高い協働性（C = 662）を伴う強結合領域を達成。
• 信号非相反性	• 縮退点で4 dBのアイソレーション（10 dBアンテナ）	• チップ上での方向性のある一方向マイクロ波信号伝送を可能にする。

低温信号吸収（YIG薄膜と低温超伝導エレクトロニクスを統合する際の長年のボトルネック）を克服するため、研究者らは標準的なガドリウムガリウムガーネット（GGG）基板を、希土類フリーのYSGG基板に置き換えた。得られたハイブリッドアーキテクチャは、縮退モード透過ピークにおいて4 dBの電力アイソレーションを達成し、外部バルク磁石を必要とせずに脆弱な量子回路を保護する、コンパクトなオンチップマイクロ波アイソレータの基礎を築く。

デバイス作製はアルゴンヌ国立研究所のCenter for Nanoscale Materialsで実施された。このハイブリッドプラットフォームは、スピン波マグノニックシステムに関する先行研究に基づき、集積型の方向性量子光学およびマイクロ波相互接続の開発を前進させるものである。

技術プレプリント原稿はarXivでこちらからレビューでき、機関のプレス詳細はArgonne National Laboratoryポータルでこちらから読むことができる。

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