Weiterer Forschungskontext:
Die Mikrowellen-Quantentechnologie hat Nachteile, die eine Hybridlösung erfordern. Magnonen (Magnetisierungswellen in Magneten) sind die ideale Ergänzung, da sie ähnliche Frequenzen, viel kleinere Wellenlängen und exotische Eigenschaften wie abstimmbare Dispersion und Nichtlinearität aufweisen, die sich aus ihrer Komplexität als Festkörperanregungen ergeben. Der Bereich der Magnonik hat diese Eigenschaften im klassischen Bereich in fortschrittlichen Nanogeräten zur Informationsverarbeitung genutzt. Die Übertragung dieser Technologie auf den Quantenbereich würde hybride Magnon-Mikrowellen-Quantengeräte mit neuen Funktionen ermöglichen, die ausschließlich auf der Nutzung der Magnoneneigenschaften beruhen, die bei Photonen nicht vorhanden sind. Allerdings hat noch kein Experiment das Quantenverhalten von magnonischen Nanobauteilen nachgewiesen. Eine dringende Herausforderung ist das Fehlen eines theoretischen Formalismus zur Beschreibung der Quantenmagnonendynamik in Nanostrukturen, zur Bestimmung des Wertes und der unteren Grenzen ihrer Dekohärenzrate und zur Erreichung solcher Grenzen durch Nanoengineering.
Zielsetzungen:
InspireQMag1 wird diese Herausforderung durch eine von der Nanophotonik inspirierte Quantenmagnonik lösen. Dieser multidisziplinäre Ansatz verfolgt drei Ziele: (1) Entwicklung einer quantitativen theoretischen Beschreibung der Ausbreitung von Quantenmagnonen in Nanostrukturen, z. B. einer Quanten-Hauptgleichung und einer Software zu ihrer Lösung (2) Bereitstellung von Ausdrücken für die Magnonendekohärenzrate und von Wegen zu ihrer Unterdrückung durch Nanostruktur- oder Bad-Engineering (3) Vorschlag von durchführbaren Kurzzeitexperimenten zur Bestätigung des quantenmagnonischen Verhaltens in Nanostrukturen.
Herangehensweise:
Da Magnonen komplexer sind als Photonen, können die Methoden der Nanophotonik nicht direkt angewandt werden und es wird ein neuer theoretischer Formalismus entwickelt. Unter Verwendung der klassischen Magnonik, der Theorie der kondensierten Materie und der Theorie offener Quantensysteme wird InspireQMag1 quantendynamische Gleichungen ableiten und optimieren, die die Entwicklung von quantenmagnonischen Zuständen in Nanostrukturen beschreiben. Diese Methode wird analytische Ausdrücke für die dynamischen Raten, z. B. die Dekohärenzraten, liefern und damit den Weg zu deren Kontrolle durch Nanostrukturtechnik ebnen. InspireQMag1 wird auch Experimente vorschlagen, um quantenmagnonisches Verhalten in Nanogeräten (z. B. kohärenzerhaltende Photonen-Magnon-Photonen-Transduktion) auf der Grundlage von Quantenoptik-Protokollen nachzuweisen. Diese Ziele erfordern mein multidisziplinäres Fachwissen (Quanten-Nanophotonik, offene Quantensysteme, Magnonik) und einen engen Kontakt mit experimentellen Mitarbeitern.
Grad der Innovation:
Der von der Nanophotonik inspirierte Ansatz von InspireQMag1 ist neu in der Quantenmagnonik. Er wird die Erforschung des Quantenbereichs von magnonischen Nanobauteilen ermöglichen und der Magnonik-Gemeinschaft den Einstieg in die hybride Quantentechnologie ermöglichen. Hier könnte die Nutzung der unkonventionellen Magnoneneigenschaften Quantenplattformen/-protokolle mit neuen Fähigkeiten ausstatten. InspireQMag1 wird die Kluft zwischen der klassischen Nanomagnonik und der Mikrowellen-Quantentechnologie überbrücken und ihr gemeinsames Ziel, die Entwicklung von Quantengeräten der nächsten Generation, erleichtern.
