L'optomeccanica delle cavità consente il controllo del movimento meccanico attraverso l'interazione radiazione-pressione e ha contribuito al controllo quantistico di sistemi meccanici ingegnerizzati che vanno dagli specchi LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) su scala di chilogrammi ai sistemi nanomeccanici. Eppure quasi tutti gli schemi precedenti hanno utilizzato sistemi optomeccanici a modalità singola o ridotta.
Le principali ricerche teoriche hanno previsto che i reticoli optomeccanici possono accedere a una fisica sostanzialmente più complessa e a dinamiche uniche, come ad esempio dinamica collettiva quantistica e fenomeni topologici. Tuttavia, la creazione di reticoli optomeccanici in grado di supportare numerosi gradi di libertà ottici e meccanici accoppiati e la duplicazione sperimentale di tali dispositivi sotto stretto controllo si sono rivelati difficili.
Il primo reticolo optomeccanico di un circuito superconduttore riconfigurabile su larga scala in grado di risolvere i problemi di scala dei sistemi optomeccanici quantistici è stato creato dagli scienziati nel laboratorio di Tobias J. Kippenberg presso la School of Basic Sciences dell'EPFL. Il team ha realizzato un reticolo di grafene sottoposto a tensione optomeccanica e ha utilizzato metodi di misurazione all'avanguardia per esaminare stati marginali topologici non banali.
Un "condensatore a testa di tamburo con gap di vuoto", anch'esso un componente critico del singolo sito del reticolo, è costituito da una sottile pellicola di alluminio appesa sopra una trincea in un substrato di silicio. Questo costituisce il componente vibrante del dispositivo e contemporaneamente crea un circuito risonante a microonde con un induttore a spirale.
Amir Youssefi, che ha guidato il progetto, ha detto: “Abbiamo sviluppato una nuova tecnica di nanofabbricazione per sistemi optomeccanici di circuiti superconduttori con elevata riproducibilità e tolleranze estremamente strette sui parametri dei singoli dispositivi. Ciò ci consente di rendere i diversi siti praticamente identici, come in un reticolo naturale”.
È noto che il reticolo del grafene mostra caratteristiche topologiche non banali e stati marginali localizzati. Questi stati sono stati osservati in quello che gli scienziati chiamano un “fiocco di grafene optomeccanico” composto da ventiquattro punti.
Andrea Bancora, che ha contribuito alla ricerca, ha detto: “Grazie al kit di strumenti optomeccanici integrato, potremmo immaginare direttamente e in modo non perturbativo le forme modali elettromagnetiche collettive in tali reticoli. Questa è una caratteristica unica di questa piattaforma.”
La loro nuova piattaforma offre un banco di prova affidabile per la ricerca sulla fisica topologica nei reticoli mono e bidimensionali, come dimostrato dai risultati del team, che corrispondono strettamente alle previsioni teoriche.
Shingo Kono, un altro membro del gruppo di ricerca, disse, “Avendo accesso sia ai livelli energetici che alle forme modali di queste eccitazioni collettive, siamo stati in grado di ricostruire l’intera hamiltoniana sottostante del sistema, consentendo per la prima volta l’estrazione completa del disordine e dell’accoppiamento delle forze in un reticolo superconduttore”.
Riferimento della Gazzetta:
- Youssefi, A., Kono, S., Bancora, A. et al. Reticoli topologici realizzati nell'optomeccanica dei circuiti superconduttori. Natura 612, 666–672 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05367-9
