27.12.2022 - Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

Optomechanik simuliert Graphen-Gitter

Die präzise Steuerung mikromechanischer Oszillatoren ist für viele moderne Technologien von grundlegender Bedeutung, von der Sensorik und Zeitmessung bis hin zu Hochfrequenzfiltern in Smartphones. In den letzten zehn Jahren hat sich die Quantensteuerung mechanischer Systeme fest etabliert, wobei die erste Welle der Entwicklung bei Atomen, Molekülen und Ionen und die zweite Quantenrevolution bei supraleitenden Schaltkreisen stattfand.

Dies wurde insbesondere durch die Hohlraum-Optomechanik katalysiert. Dieser Bereich hat es uns ermöglicht, mesoskopische mechanische Objekte mit elektromagnetischer Strahlungsdruckkraft zu kontrollieren. Dies hat unser Verständnis ihrer Quantennatur erheblich verbessert, was eine Vielzahl von Fortschritten ermöglicht hat, darunter die Kühlung des Grundzustands, das Quanten-Squeezing und die Fernverschränkung mechanischer Oszillatoren.

In bahnbrechenden theoretischen Studien wurde vorhergesagt, dass in optomechanischen Gittern eine wesentlich reichhaltigere Physik und neuartige Dynamik möglich ist, einschließlich kollektiver Quantendynamik und topologischer Phänomene. Die experimentelle Reproduktion solcher Vorrichtungen unter hoher Kontrolle sowie der Bau von optomechanischen Gittern, die mehrere gekoppelte optische und mechanische Freiheitsgrade beherbergen können, war jedoch eine Herausforderung.

Forscher der Gruppe von Tobias J. Kippenberg an der EPFL School of Basic Sciences haben nun das erste grossflächige und konfigurierbare optomechanische Gitter mit supraleitenden Schaltkreisen gebaut, das die Skalierungsprobleme von quantenoptomechanischen Systemen überwinden kann. Das Team realisierte ein optomechanisches verspanntes Graphen-Gitter und untersuchte nicht-triviale topologische Randzustände mit Hilfe neuartiger Messtechniken. Diese Arbeit ist in Nature veröffentlicht.

Das Schlüsselelement des Gitters ist ein so genannter "Vakuumspalt-Trommelfellkondensator", der aus einem dünnen Aluminiumfilm besteht, der über einem Graben in einem Siliziumsubstrat aufgehängt ist. Dieser bildet den schwingenden Teil des Bauelements und bildet gleichzeitig einen Mikrowellen-Resonanzkreis mit einer Spiralinduktivität.

"Wir haben eine neuartige Nanofabrikationstechnik für optomechanische Systeme mit supraleitenden Schaltkreisen entwickelt, die sich durch hohe Reproduzierbarkeit und extrem enge Toleranzen bei den Parametern der einzelnen Bauelemente auszeichnet", sagt Amir Youssefi, der das Projekt leitete. "Dadurch können wir die verschiedenen Stellen so gestalten, dass sie praktisch identisch sind, wie in einem natürlichen Gitter."

Es ist bekannt, dass das Graphen-Gitter nicht-triviale topologische Eigenschaften und lokalisierte Randzustände aufweist. Die Forscher beobachteten solche Zustände in einer so genannten "optomechanischen Graphen-Flocke", die aus vierundzwanzig Stellen besteht.

"Dank des eingebauten optomechanischen Instrumentariums konnten wir die kollektiven elektromagnetischen Modenformen in solchen Gittern direkt und nicht-störend abbilden", sagt Andrea Bancora, der an der Forschung beteiligt war. "Dies ist ein einzigartiges Merkmal dieser Plattform".

Die Messungen des Teams stimmen genau mit den theoretischen Vorhersagen überein und zeigen, dass ihre neue Plattform ein zuverlässiger Prüfstand für die Untersuchung der topologischen Physik in ein- und zweidimensionalen Gittern ist.

"Indem wir Zugang zu den Energieniveaus und Modenformen dieser kollektiven Anregungen hatten, konnten wir die vollständige zugrundeliegende Hamiltonian des Systems rekonstruieren, was zum ersten Mal die vollständige Extraktion von Unordnung und Kopplungsstärken in einem supraleitenden Gitter ermöglichte", sagt Shingo Kono, ein weiteres Mitglied des Forschungsteams.

Die Demonstration von optomechanischen Gittern ermöglicht nicht nur die Untersuchung der Vielteilchenphysik in solchen Realisierungen von Gittermodellen aus kondensierter Materie, sondern wird auch einen Weg zu neuartigen hybriden Quantensystemen eröffnen, wenn sie mit supraleitenden Qubits kombiniert werden.

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