Физики построили микроволновый диод

Физики из Китая и Канады построили простой, но эффективный «диод» для микроволн, который свободно пропускает волны в одном направлении и в тысячу раз ослабляет обратные волны. Чтобы добиться такого эффекта, ученые поместили над волноводом небольшую ЖИГ-сферу, магноны которой взаимодействовали с микроволнами. Авторы подчеркивают, что предложенный способ легко можно использовать в существующих микроволновых устройствах, например, в квантовых компьютерах на основе сверхпроводящих кубитов. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Одним из основных принципов электродинамики является принцип взаимности, который связывает источник и поле, которое он создает. Грубо говоря, этот принцип утверждает, что отношение между переменным током и создаваемым им электромагнитным полем не изменится, если поменять местами источник поля и прибор, который его измеряет. На практике это означает, что электромагнитные волны внутри устройств — например, внутри волновода — одинаково распространяются во всех направлениях. Кроме того, из принципа взаимности моментально следует равенство взаимных индукций двух витков с током. Подробнее про этот принцип мы уже писали.

Впрочем, хотя принцип взаимности и встречается в природе повсеместно, его можно нарушить, добавляя в систему нелинейности. В этом случае уравнение движения волн усложнится и при правильно подобранных параметрах потеряет обратимость во времени: следовательно, описываемые им волны будут по-разному распространяться в противоположных направлениях. Более того, для некоторых чувствительных устройств, например, квантовых компьютеров, такое нарушение необходимо. В частности, с помощью невзаимного прибора можно измерить квантовое состояние системы, не разрушая его. К сожалению, на практике создать необратимые устройства очень сложно: обычно такие приборы получаются большими и неудобными, а создаваемый ими эффект необратимости сравнительно невелик.

Группа физиков под руководством Цань-Мин Ху (Can-Ming Hu) разработала простое и эффективное устройство, которое нарушает принцип обратимости для микроволн. Проще говоря, ученые построили микроволновый диод. В основном, работа диода обусловлена интерференцией между когерентной и диссипативной связью микроволн, которые бегут по волноводу, и магнонами, которые возбуждаются в небольшой сфере внутри волновода.

В основе устройства лежит крестообразная полуоткрытая полость, в которой могут одновременно возбуждаться как стоячие, так и бегущие волны. Рядом с полостью ученые с помощью кантилевера подвесили небольшую ЖИГ-сферу (сферу из железо-иттриевого граната) диаметром около одного миллиметра. Когда по полости бежали микроволны, они возбуждали в сфере магноны — квазичастицы, которые описывают колебания спинов ее молекул. Чтобы контролировать частоту магнонов, которые могут возбуждаться в сфере, физики наложили на прибор магнитное поле напряженностью несколько тысяч гаусс.

Наконец, перемещая сферу над полостью, исследователи изменяли когерентную и диссипативную константу связи, которые отвечали за генерацию и затухание магнонов. Грубо говоря, при когерентной связи энергия микроволн просто «перекачивается» в магноны. Отдаленно это напоминает взаимодействие двух механических маятников, связанных упругой пружиной. При диссипативной же связи энергия частично теряется, то есть переходит в тепло — так, будто к пружинке между маятниками добавили силу трения. Если коэффициент диссипативной связи отличен от нуля, то гамильтониан системы не эрмитов, а уравнения ее движения несимметричны относительно обращений во времени. Следовательно, если подобрать положение сферы таким образом, чтобы диссипативный режим доминировал, то можно превратить полость в микроволновый диод, который будет по-разному пропускать волны в противоположных направлениях.

Поставленный эксперимент подтвердил это предположение. Как и ожидалось, спектр волн, бегущих по полости в противоположных направлениях, отличался, причем у одних волн в спектре появлялся резкий провал, а для других нет. Проще говоря, при правильно подобранной частоте волны свободно распространялись по волноводу в одну сторону и блокировались при распространении в обратном направлении. Перемещая сферу над полостью и подбирая оптимальные значения коэффициентов связи, ученые смогли ослабить «обратные» волны почти в тысячу раз. При этом измеренные на практике коэффициенты прохождения почти совпали с теоретическими расчетами, которые опирались на эффективный гамильтониан.

Авторы статьи подчеркивают, что предложенный ими способ нарушения взаимности очень простой: для его работы достаточно поместить рядом с волноводом небольшую ЖИГ-сферу. Поэтому его легко можно использовать в существующих микроволновых устройствах, например, в чувствительных детекторах или квантовых компьютерах на основе сверхпроводящих кубитов.

Вообще говоря, физики очень любят строить диоды для самых неожиданных величин. Например, в сентябре 2015 года китайские физики изготовили диод для водяного тока, в октябре того же года — для акустических волн. В феврале 2017 исследователи из Нидерландов и США построили механический диод — устройство, которое смещается под действием механической нагрузки в одну сторону и блокирует смещение в другую сторону. Разумеется, существуют и такие диоды, которые нарушают принцип взаимности: например, в ноябре прошлого года австрийские физики построили вращающийся прибор, который пропускает магнитный поток только в одном направлении.

Дмитрий Трунин