Gli scienziati dell’EPFL hanno risolto i problemi di scalabilità dei sistemi optomeccanici quantistici e hanno creato il primo array optomeccanico di grafene con un circuito superconduttore.
Il controllo preciso degli oscillatori micromeccanici è essenziale per molte tecnologie contemporanee, dal rilevamento e dalla sincronizzazione ai filtri a radiofrequenza negli smartphone. Nell’ultimo decennio, il controllo quantistico dei sistemi meccanici si è affermato con forza, con atomi, molecole e ioni nella prima ondata di sviluppo e circuiti superconduttori nella seconda rivoluzione quantistica.
Questa evoluzione è stata guidata in particolare dall’optomeccanica delle cavità. Questo campo ci ha permesso di controllare oggetti meccanici mesoscopici con una forza di pressione dovuta alla radiazione elettromagnetica. Ciò ha migliorato notevolmente la nostra comprensione della loro natura quantistica, portando a molti progressi, tra cui il raffreddamento allo stato fondamentale, gli stati quantistici compressi e l’entanglement remoto degli oscillatori meccanici.
Studi teorici pionieristici hanno previsto la possibilità di accedere a una fisica significativamente più ricca e a nuove dinamiche nelle reti optomeccaniche, tra cui la dinamica quantistica collettiva e i fenomeni topologici. Ma la riproduzione sperimentale di tali dispositivi sotto stretto controllo, così come la costruzione di reti optomeccaniche in grado di ospitare molteplici gradi di libertà ottici e meccanici accoppiati, rappresenta una sfida.
I ricercatori del team di Tobias J. Kippenberg della Facoltà di Scienze di Base dell’EPFL hanno creato il primo reticolo optomeccanico a circuito superconduttore configurabile e su larga scala in grado di superare i problemi di scala dei sistemi optomeccanici quantistici. Il team ha realizzato un reticolo di grafene teso in modo optomeccanico e ha studiato gli stati topologici non banali dei bordi utilizzando nuove tecniche di misurazione. Il loro lavoro è pubblicato sulla rivista Nature.
L’elemento principale, che fa parte di ogni sito dell’array, è un "condensatore a vuoto con membrana", costituito da una sottile pellicola di alluminio sospesa su una trincea di un substrato di silicio. Questo costituisce la parte vibrante del dispositivo e allo stesso tempo forma un circuito risonante a microonde con un induttore a spirale.
"Abbiamo sviluppato una nuova tecnica di nanofabbricazione per sistemi di circuiti superconduttori optomeccanici con un’elevata riproducibilità e tolleranze estremamente strette sui parametri dei singoli dispositivi", spiega Amir Youssefi, che ha guidato il progetto. "Ciò significa che i singoli siti sono praticamente identici, come in una rete naturale".
È noto che il reticolo di grafene presenta proprietà topologiche non banali e stati di bordo localizzati. I ricercatori hanno osservato questi stati in quello che chiamano "fiocco di grafene optomeccanico", composto da ventiquattro siti.
"Grazie all’architettura optomeccanica integrata, siamo stati in grado di rappresentare direttamente le forme dei modi elettromagnetici collettivi in queste reti senza disturbi", spiega Andrea Bancora, che ha partecipato alla ricerca. "È una caratteristica unica di questa piattaforma".
Le misurazioni effettuate dal team corrispondono perfettamente alle previsioni teoriche, dimostrando che la nuova piattaforma fornisce un mezzo affidabile per studiare la fisica topologica nelle reti mono e bidimensionali.
"Avendo accesso ai livelli energetici e alle forme di modo di queste eccitazioni collettive, siamo stati in grado di ricostruire l’intera hamiltoniana sottostante del sistema, il che ci ha permesso per la prima volta di estrarre completamente il disordine e le forze di accoppiamento in un reticolo superconduttore", spiega Shingo Kono, un altro membro del team di ricerca.
La dimostrazione di reticoli optomeccanici non solo consente lo studio della fisica dei molti corpi con la realizzazione di modelli di reticoli di materia condensata, ma apre anche la strada a nuovi sistemi quantistici ibridi se combinati con qubit superconduttori.
Tutti i campioni sono stati fabbricati presso il Centro di MicroNanoTecnologia (CMi) dell’EPFL.
RiferimentiYoussefi A. et al. Lattici topologici realizzati in circuiti superconduttori optomeccanici. Natura 21 dicembre 2022. DOI: 10.1038/s41586’022 -05367-9
