光机械模拟石墨烯晶格

诸平

A superconducting circuit optomechanical graphene lattice. Credit: Andrea Bancora (EPFL)

据瑞士洛桑联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology Lausanne简称EPFL) 2022年 12月26日报道, EPFL的科学家克服了量子光机系统的缩放挑战，并实现了第一个超导电路光机石墨烯晶格（Optomechanics simulates graphene lattices，见上图所示）。

微机械振荡器（micro-mechanical oscillators）的精确控制是许多现代技术的基础，从传感和定时到智能手机中的射频滤波器。近十年来，第一次发展浪潮中的原子、分子和离子，以及第二次量子革命中的超导电路（superconducting circuits），已经牢固地确立了机械系统的量子控制。

这尤其是由腔光机械（cavity optomechanics）催化的。该场使我们能够用电磁辐射压力控制细观机械物体（mesoscopic mechanical objects）。这大大提高了我们对其量子性质的理解，从而促成了一系列进展，包括基态冷却（ground-state cooling）、量子压缩（quantum squeezing）和机械振荡器（mechanical oscillators）的远程纠缠。

开创性的理论研究预测，在光机械晶格（optomechanical lattices）中可以获得更丰富的物理学和新颖的动力学，包括量子集体动力学（quantum collective dynamics）和拓扑现象（topological phenomena）。但是，在高度控制下通过实验复制此类设备，以及构建可以承载多个耦合光学和机械自由度的光机晶格一直是一个挑战。

EPFL基础科学学院（EPFL’s School of Basic Sciences）托拜厄斯·基彭贝格（Tobias J. Kippenberg）小组的研究人员，现在已经构建了第一个大规模和可配置的超导电路光机晶格，可以克服量子光机系统的缩放挑战。该团队实现了光机械应变石墨烯晶格，并使用新颖的测量技术研究了非平凡的拓扑边缘状态。相关研究结果于2022年12月21日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Amir Youssefi, Shingo Kono, Andrea Bancora, Mahdi Chegnizadeh, Jiahe Pan, Tatiana Vovk, Tobias J. Kippenberg. Topological lattices realized in superconducting circuit optomechanics. Nature, Published: 21 December 2022, 612: 666–672. DOI: 10.1038/s41586-022-05367-9. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05367-9 

作为晶格单点一部分的关键元件是所谓的“真空间隙鼓面电容器(vacuum-gap drumhead capacitor)”，它由悬浮在硅基板中的沟槽上方的薄铝膜制成。这构成了器件的振动部分，同时与螺旋电感组成谐振微波电路。

该项目的负责人埃米尔·尤塞菲（Amir Youssefi）说：“我们开发了一种用于超导电路光机系统的新型纳米制造技术，具有高再现性和对单个设备参数的极严格公差。这使我们能够将不同的地点设计得几乎相同，就像在自然晶格中一样。”

​​​​​​众所周知，石墨烯晶格表现出非平凡的拓扑特性和局部边缘状态。研究人员在他们所谓的“光机械石墨烯薄片（optomechanical graphene flake）”中观察到了这种状态，该薄片由24个位点组成。

为该研究做出贡献的安德里亚·班科拉 (Andrea Bancora) 说：“多亏了内置的光机工具包（optomechanical toolkit），我们能够直接和非扰动地对这种晶格中的集体电磁模式形状进行成像，这是这个平台的一个独特之处。”

该团队的测量结果与理论预测非常吻合，表明他们的新平台是研究一维和二维晶格拓扑物理的可靠试验台。

“通过获得这些集体激发的能级和模式形状，我们能够重建系统的完整底层哈密顿量（Hamiltonian），首次允许在超导晶格中完全提取无序和耦合强度，”研究小组的另一名成员重夫·小野（Shingo Kono）说。

光机械晶格的演示不仅提供了在凝聚态晶格模型的这种实现中研究多体物理学的途径，而且还将提供与超导量子位结合时通向新型混合量子系统的途径。

所有样品均在 EPFL 的微纳米技术中心 (Center of MicroNanoTechnology简称CMi) 制造。

这项工作得到了欧盟H2020研究和创新计划的支持{ EU H2020 research and innovation programme under grant no. 101033361 (QuPhon)}以及欧洲研究理事会(ERC)的资助{ European Research Council (ERC) grant no. 835329 (ExCOM-cCEO)}。这项工作也得到了瑞士国家科学基金会(SNSF)的资助{ Swiss National Science Foundation (SNSF) under grant Nos. NCCR-QSIT: 51NF40_185902 and 204927}。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Cavity optomechanics enables the control of mechanical motion through the radiation-pressure interaction¹, and has contributed to the quantum control of engineered mechanical systems ranging from kilogramme-scale Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) mirrors to nanomechanical systems, enabling ground-state preparation^2,3, entanglement^4,5, squeezing of mechanical objects⁶, position measurements at the standard quantum limit⁷ and quantum transduction⁸. Yet nearly all previous schemes have used single- or few-mode optomechanical systems. By contrast, new dynamics and applications are expected when using optomechanical lattices⁹, which enable the synthesis of non-trivial band structures, and these lattices have been actively studied in the field of circuit quantum electrodynamics¹⁰. Superconducting microwave optomechanical circuits² are a promising platform to implement such lattices, but have been compounded by strict scaling limitations. Here we overcome this challenge and demonstrate topological microwave modes in one-dimensional circuit optomechanical chains realizing the Su–Schrieffer–Heeger model^11,12. Furthermore, we realize the strained graphene model^13,14 in a two-dimensional optomechanical honeycomb lattice. Exploiting the embedded optomechanical interaction, we show that it is possible to directly measure the mode functions of the hybridized modes without using any local probe^15,16. This enables us to reconstruct the full underlying lattice Hamiltonian and directly measure the existing residual disorder. Such optomechanical lattices, accompanied by the measurement techniques introduced, offer an avenue to explore collective^17,18, quantum many-body¹⁹ and quench²⁰ dynamics, topological properties^9,21 and, more broadly, emergent nonlinear dynamics in complex optomechanical systems with a large number of degrees of freedom^22,23,24.