Optomechanica simuleert grafeenroosters

Wetenschappers van EPFL hebben de schaaluitdagingen van kwantumoptomechanische systemen overwonnen en het eerste supergeleidende circuit optomechanische grafeenrooster gerealiseerd.

De nauwkeurige regeling van micromechanische oscillatoren is fundamenteel voor veel hedendaagse technologieën, van detectie en timing tot radiofrequentiefilters in smartphones. In het afgelopen decennium is kwantumbeheersing van mechanische systemen stevig verankerd met atomen, moleculen en ionen in de eerste ontwikkelingsgolf en supergeleidende circuits in de tweede kwantumrevolutie.

Dit is met name gekatalyseerd door holte-optomechanica. Het veld heeft ons in staat gesteld mesoscopische mechanische objecten te besturen met elektromagnetische stralingsdrukkracht. Dit heeft ons begrip van hun kwantumkarakter aanzienlijk verbeterd, wat een groot aantal vorderingen mogelijk heeft gemaakt, waaronder koeling in de grondtoestand, kwantumknijpen en verstrengeling van mechanische oscillatoren op afstand.

Theoretische studies hebben voorspeld dat aanzienlijk rijkere fysica en nieuwe dynamiek toegankelijk zijn in optomechanische roosters, inclusief kwantumcollectieve dynamiek en topologische verschijnselen. Maar het experimenteel reproduceren van dergelijke apparaten onder hoge controle, evenals het bouwen van optomechanische roosters die meerdere gekoppelde optische en mechanische vrijheidsgraden kunnen herbergen, was een uitdaging.

Praktijk

Onderzoekers van EPFL hebben nu het eerste grootschalige en configureerbare optomechanische rooster van supergeleidende circuits gebouwd dat de schaaluitdagingen van kwantumoptomechanische systemen kan overwinnen. Het team realiseerde een optomechanisch gespannen grafeenrooster en bestudeerde niet-triviale topologische randtoestanden met behulp van nieuwe meettechnieken. Het werk is nu gepubliceerd in Nature.

Het sleutelelement, dat deel uitmaakt van de enkele plaats van het rooster, is een zogenaamde ‘vacuum-gap drumhead-condensator’, die is gemaakt van een dunne aluminiumfilm die is opgehangen boven een sleuf in een siliciumsubstraat. Dit vormt het vibrerende deel van het apparaat en vormt tegelijkertijd een resonerende microgolfschakeling met een spiraalvormige inductor.

“We hebben een nieuwe nanofabricagetechniek ontwikkeld voor optomechanische systemen van supergeleidende circuits met een hoge reproduceerbaarheid en extreem nauwe toleranties voor de parameters van de individuele apparaten”, zegt Amir Youssefi, die het project leidde. “Dit stelt ons in staat om de verschillende sites zo te ontwerpen dat ze vrijwel identiek zijn, zoals in een natuurlijk rooster.”

Het is bekend dat het grafeenrooster niet-triviale topologische eigenschappen en gelokaliseerde randtoestanden vertoont. De onderzoekers observeerden dergelijke toestanden in wat zij een “optomechanische grafeenschilfer” noemen, bestaande uit vierentwintig locaties.

“Dankzij de ingebouwde optomechanische toolkit waren we in staat om de collectieve elektromagnetische modusvormen in dergelijke roosters direct en niet-verstorend in beeld te brengen”, zegt Andrea Bancora. “Dit is een uniek kenmerk van dit platform.”

De metingen van het team komen nauw overeen met de theoretische voorspellingen, wat impliceert dat hun nieuwe platform een betrouwbaar testbed is voor het bestuderen van topologische fysica in een- en tweedimensionale roosters.

“Door toegang te hebben tot zowel de energieniveaus als de modusvormen van deze collectieve excitaties, waren we in staat om de volledige onderliggende Hamiltoniaan van het systeem te reconstrueren, waardoor voor de eerste keer de volledige extractie van wanorde en koppelingssterkten in een supergeleidend rooster mogelijk was.” zegt Shingo Kono.

De demonstratie van optomechanische roosters biedt niet alleen toegang tot het bestuderen van veeldeeltjesfysica in dergelijke realisaties van roostermodellen van gecondenseerde materie, maar zal ook een route bieden naar nieuwe hybride kwantumsystemen in combinatie met supergeleidende qubits.