Kavitets optomekanik muliggør kontrol af mekanisk bevægelse gennem stråling-tryk-interaktionen og har bidraget til kvantestyringen af konstruerede mekaniske systemer lige fra kilogram-skala Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) spejle til nanomekaniske systemer. Alligevel har næsten alle tidligere ordninger brugt enkelt- eller få-mode optomekaniske systemer.
Førende teoretisk forskning har fremskrevet, at optomekaniske gitter kan få adgang til væsentligt mere kompleks fysik og unik dynamik, som f.eks. kvante kollektiv dynamik og topologiske fænomener. Det har imidlertid vist sig vanskeligt at skabe optomekaniske gitter, der kan understøtte adskillige koblede optiske og mekaniske frihedsgrader og duplikere sådanne enheder eksperimentelt under stram kontrol.
Det første optomekaniske superledende kredsløbsgitter i stor skala og rekonfigurerbare, der kan løse skaleringsproblemerne ved kvanteoptomekaniske systemer, er blevet skabt af forskere i Tobias J. Kippenbergs laboratorium ved EPFL's School of Basic Sciences. Holdet realiserede et optomekanisk anstrengt grafengitter og brugte banebrydende målemetoder til at undersøge ikke-trivielle topologiske kanttilstande.
En "vacuum-gap tromlehead-kondensator", også en kritisk komponent i det enkelte sted af gitteret, består af en tynd aluminiumsfilm, der hænger over en rende i en silicium substrat. Dette udgør enhedens vibrerende komponent og skaber samtidig et resonansmikrobølgekredsløb med en spiralinduktor.
Amir Youssefi, der ledede projektet, sagde: "Vi udviklede en ny nanofabrikationsteknik til optomekaniske superledende kredsløbssystemer med høj reproducerbarhed og ekstremt snævre tolerancer på parametrene for de enkelte enheder. Dette gør det muligt for os at gøre de forskellige steder næsten identiske, som i et naturligt gitter."
Det er velkendt, at grafengitteret viser ikke-trivielle topologiske karakteristika og lokaliserede kanttilstande. Disse tilstande blev set i, hvad forskerne refererer til som en "optomekanisk grafenflage" bestående af fireogtyve pletter.
Andrea Bancora, der bidrog til forskningen, sagde: "Takket være det indbyggede optomekaniske værktøjssæt kunne vi direkte og ikke-perturbativt afbilde de kollektive elektromagnetiske tilstandsformer i sådanne gitter. Dette er en unik egenskab ved denne platform."
Deres nye platform tilbyder en troværdig testplads til at forske i topologisk fysik i en- og todimensionelle gitter, som demonstreret af holdets resultater, som nøje matcher de teoretiske forudsigelser.
Shingo Kono, et andet medlem af forskerholdet, sagde, "Ved at have adgang til både energiniveauerne og tilstandsformerne af disse kollektive excitationer, var vi i stand til at rekonstruere den fulde underliggende Hamiltonian af systemet, hvilket muliggjorde fuld udvinding af uorden og koblingsstyrker i et superledende gitter for første gang."
Journal Reference:
- Youssefi, A., Kono, S., Bancora, A. et al. Topologiske gitter realiseret i superledende kredsløbsoptomekanik. Natur 612, 666-672 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05367-9
