Este nuevo tipo de diodo de microondas podría ayudar al desarrollo de computadoras cuánticas

^{Yi-Pu Wang et al. / Physical Review Letters, 2019}

Físicos de China y Canadá han construido un "diodo" simple pero efectivo para microondas, que transmite ondas libremente en una dirección y atenúa las ondas hacia atrás miles de veces. Para lograr este efecto, los científicos colocaron una pequeña esfera YIG por encima de la guía de ondas, cuyos magnones interactuaron con las microondas. El artículo fue publicado en Physical Review Letters.

Uno de los principios básicos de la electrodinámica es el principio de reciprocidad, que conecta la fuente y el campo que crea. Hablando en términos generales, este principio establece que la relación entre la corriente alterna y el campo electromagnético creado por ella no cambiará si la fuente del campo y el dispositivo que lo mide se intercambian.

En la práctica, esto significa que las ondas electromagnéticas dentro de los dispositivos, por ejemplo, dentro de una guía de ondas, se propagan por igual en todas las direcciones. Además, el principio de reciprocidad implica inmediatamente la igualdad de inducciones mutuas de dos turnos con la corriente.

Sin embargo, aunque el principio de reciprocidad se encuentra en todas partes en la naturaleza, se puede violar agregando no linealidad al sistema. En este caso, la ecuación de movimiento de las ondas se vuelve más complicada y, con parámetros seleccionados correctamente, pierde su reversibilidad en el tiempo. Por lo tanto, las ondas descritas por ella se propagarán de manera diferente en direcciones opuestas.

Además, para algunos dispositivos sensibles, como las computadoras cuánticas, dicha violación es necesaria. En particular, utilizando un dispositivo no recíproco, es posible medir el estado cuántico de un sistema sin destruirlo. Desafortunadamente, en la práctica es muy difícil crear dispositivos irreversibles: por lo general, resultan ser grandes e inconvenientes, y el efecto de irreversibilidad creado por ellos es relativamente pequeño.

Un diodo de microondas

Ahora un grupo de físicos dirigido por Can-Ming Hu ha desarrollado un dispositivo simple y efectivo que viola el principio de reversibilidad para microondas. En pocas palabras, los científicos construyeron un diodo de microondas. Básicamente, el funcionamiento del diodo se debe a la interferencia entre el acoplamiento coherente y disipativo de las microondas que corren a lo largo de la guía de ondas y los magnones que se excitan en una pequeña esfera dentro de ella.

El dispositivo se basa en una cavidad semiabierta en forma de cruz en la que tanto las ondas estacionarias como las móviles pueden excitarse simultáneamente. Cerca de la cavidad, los científicos que usaban un voladizo colgaron una pequeña esfera YIG (una esfera de granate de hierro y itrio) con un diámetro de aproximadamente un milímetro.

Cuando las microondas corrían por la cavidad, excitaban los magnones en la esfera, cuasipartículas que describen las vibraciones de los espines de sus moléculas. Para controlar la frecuencia de los magnones que pueden excitarse en una esfera, los físicos aplicaron un campo magnético de varios miles de gauss al dispositivo.

Finalmente, moviendo la esfera sobre la cavidad, los investigadores cambiaron la constante de acoplamiento coherente y disipativa, responsables de la generación y atenuación de los magnones.

^{Diagrama del instrumento: la cavidad está teñida de verde, la esfera es azul
Yi-Pu Wang et al. / Physical Review Letters, 2019}

En términos generales, con un acoplamiento coherente, la energía de las microondas simplemente se "bombea" a los magnones. Distantemente, se asemeja a la interacción de dos péndulos mecánicos conectados por un resorte elástico. En una conexión disipativa, la energía se pierde parcialmente, es decir, entra en calor, como si se agregara fricción al resorte entre los péndulos. Si el coeficiente de acoplamiento disipativo no es cero, entonces el hamiltoniano del sistema no es hermitiano, y las ecuaciones de su movimiento son asimétricas con respecto a las reversiones de tiempo.

Por lo tanto, si elegimos la posición de la esfera para que domine el régimen disipativo, entonces podemos convertir la cavidad en un diodo de microondas, que transmitirá ondas en direcciones opuestas de diferentes maneras.

Confirmada la hipótesis

El experimento confirmó esta suposición. Como se esperaba, el espectro de ondas que viajaban a través de la cavidad en direcciones opuestas era diferente, con algunas ondas que mostraban una fuerte caída en el espectro, mientras que las otras no. En pocas palabras, a una frecuencia elegida correctamente, las ondas se propagan libremente a lo largo de la guía de ondas en una dirección y se bloquean durante la propagación en la dirección opuesta.

Al mover la esfera sobre la cavidad y seleccionar los valores óptimos de los coeficientes de acoplamiento, los científicos pudieron debilitar las ondas "hacia atrás" casi mil veces. Además, los coeficientes de transmisión medidos en la práctica casi coincidieron con los cálculos teóricos, que se basaron en el Hamiltoniano efectivo.

^{El espectro de microondas que viajan a lo largo de la guía de ondas hacia adelante (izquierda) y hacia atrás (derecha). Se puede ver que a una frecuencia de aproximadamente 0.1 gigahercios, ocurre una falla en el segundo espectro.
Yi-Pu Wang et al. / Physical Review Letters, 2019}

Los autores del artículo enfatizan que el método de violación de la reciprocidad propuesto por ellos es muy simple: para su funcionamiento, es suficiente colocar una pequeña esfera YIG cerca de la guía de ondas. Por lo tanto, se puede usar fácilmente en dispositivos de microondas existentes, como en detectores sensibles o computadoras cuánticas basadas en qubits superconductores.

En general, a los físicos les encanta construir diodos para las cantidades más inesperadas. Por ejemplo, en febrero de 2017, investigadores de los Países Bajos y EE.UU. construyeron un diodo mecánico, un dispositivo que se inclina bajo la influencia de la carga mecánica en una dirección y bloquea la polarización en la otra dirección. Por supuesto, hay diodos que violan el principio de reciprocidad: por ejemplo, en noviembre del año pasado, físicos austriacos construyeron un dispositivo giratorio que transmite el flujo magnético en una sola dirección.
 

Victor Román
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma.

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