Магнитный материал внутри микроволновой печи — не самый очевидный герой научной работы. Но именно такая картина помогает понять, что сделали авторы: они поместили крошечную сферу из железо-иттриевого граната (YIG) внутрь резонатора — полости, где микроволновые фотоны мечутся между стенок, как свет в зеркальной комнате. В сфере живут магноны — коллективные колебания спинов, похожие на волны по трибунам стадиона, когда болельщики встают и садятся по очереди. Эти магноны сильно связаны с фотонами: энергия перетекает между ними туда-сюда, как между двумя маятниками на общей пружине.
Теперь авторы добавляют третий элемент — периодическое воздействие, которое меняет частоту магнонов во времени. Это как если бы дирижёр задавал ритм не постоянный, а с ускорениями и замедлениями. Такое воздействие называется Floquet-драйвом, и оно превращает статичную систему в динамическую: эффективные частоты и фотонов, и магнонов начинают зависеть от силы и частоты внешнего поля. В результате система может находиться в разных фазах: симметричной, где всё сбалансировано, нарушенной, где магноны спонтанно появляются, бистабильной, где возможны два устойчивых состояния, и нестабильной. Переход между фазами происходит скачком при достижении критической силы воздействия — магноны рождаются лавиной, как вода закипает при 100°C.
Практическая ценность в том, что раньше для управления таким переходом требовалась параметрическая накачка — сложная схема с дополнительными микроволновыми сигналами. Теперь же достаточно просто периодически менять частоту магнонного режима, что проще реализовать. Авторы также рассчитали флуктуации числа магнонов вблизи перехода — это важно для оценки шума в будущих устройствах.
Возвращаясь к метроному: музыканты оркестра начинают играть не в такт, а по сложному ритму, заданному дирижёром. Иногда они сбиваются, иногда играют слаженно, а при определённой скорости дирижёрской палочки вдруг возникает громкое соло — это и есть рождение магнонов. Затем, если дирижёр ускоряется ещё сильнее, соло само собой стихает. Такая гибкость открывает путь к переключаемым квантовым устройствам, где информация хранится в наличии или отсутствии магнонов.
Сфера из железо-иттриевого граната (YIG) — один из самых чистых магнитных материалов: в ней спиновые волны могут распространяться на сантиметры без затухания, что делает её идеальной для экспериментов с магнонами.
Идея управлять квантовыми состояниями периодическим воздействием напоминает «квантовый переключатель» из романа Грега Игана «Город перестановок», где герои изменяют параметры системы, чтобы переходить между фазами реальности.