Saada fononit vuorovaikuttamaan

Fononit kuvaavat liikkeen etenemistä kiinteässä aineessa pienimmässä mahdollisessa mittakaavassa, samalla tavalla kuin elektronit kuvaavat sähkövirtoja. Koska fononit voivat olla poikkeuksellisen stabiileja ja herkkiä, niitä käytetään kvanttitieteessä ja -teknologiassa.

Tutkijat pystyvät jo havaitsemaan ja hallitsemaan yksittäisiä fononeja. Ongelmana on saada fononit vuorovaikuttamaan keskenään ennustettavalla ja viritettävällä tavalla, mikä olisi keskeinen vaatimus monimutkaisten kvanttijärjestelmien, kuten kvanttitietokoneiden, rakentamisessa.

Vuorovaikutukset ovat olennaisia kvanttiteknologioissa. Olipa tavoitteena sitten pienten voimien havaitseminen tai informaation käsittely, yhden kvanttiherätteen on kyettävä vaikuttamaan toiseen. Mekaaniset järjestelmät ovat tässä yhteydessä houkuttelevia, koska ne voivat varastoida energiaa pitkiä aikoja. Fononit ovat kuitenkin yleensä lineaarisia herätteitä, eivätkä ne ole vuorovaikutuksessa keskenään, jos ne jätetään yksinään.

EPFL:n Pasquale Scarlinon johtamat tutkijat ovat yhteistyössä Chalmersin teknillisen yliopiston Per Delsingin kanssa löytäneet ratkaisun rakentamalla mikrovalmisteisen sirun, jossa yhdistyy sekä mekaanisia värähtelyjä että suprajohtavaa epälineaarista elektroniikkaa.

Kytkemällä useita mekaanisia värähtelymuotoja – rakenteen sisällä olevia erillisiä värähtelykuvioita – epälineaariseen suprajohtavaan piiriin, joka on rakennettu Josephson-liitosten ryhmistä samalle sirulle, he loivat onnistuneesti "kvanttiakustisen" rakenteen, jossa useat fononimuodot voivat olla vuorovaikutuksessa resonaattorin kanssa samanaikaisesti.

Siru valmistettiin MyFab Chalmersissa, ja siinä yhdistyvät kaksi pääkomponenttia. Ensimmäinen on pinta-akustinen aalto-ontelo, joka rajoittaa mekaanisia värähtelyjä kiinteän aineen pinnalle (SAW). Nämä värähtelyt kantavat fononeja ja muodostavat joukon diskreettejä mekaanisia moodityyppejä. Toinen komponentti on suprajohtava mikroaaltoresonaattori, jonka ominaisuuksia voidaan säätää magneettikentän avulla. Kun mekaaniset moodit ja resonaattori tuodaan lähelle toisiaan taajuuksilla, ne hybridisoituvat. Jokainen fononimoodi saa sitten pienen osuuden epälineaarisesta elektronisesta piiristä.

Lähestymistapaa käyttämällä tutkijat mittasivat useiden fononimoodiparien välisiä vuorovaikutuksia. Yhden moodin virittäminen muutti toisen taajuutta, mikä on selkeä merkki fononi-fononi-vuorovaikutuksesta. Kahden fotonin ohjauksessa he havaitsivat myös bistabiilin käyttäytymisen, jossa mekaaninen moodi vaihtaa erillisten värähtelytilojen välillä

Työ luo yleisen kokeellisen viitekehyksen vuorovaikuttavien fononien suunnittelulle ja karakterisoinnille. Tällaiset järjestelmät voisivat mahdollistaa uudentyyppisten kvanttisensoreiden kehittämisen, kollektiivisten ja epälineaaristen mekaanisten ilmiöiden tutkimisen ja tukea tulevaisuuden arkkitehtuureja, joissa mekaanisilla mooditiedoilla on aktiivinen rooli kvantti-informaation käsittelyssä. Laajemmin ottaen työ osoittaa, kuinka kvanttiakustisia laitteita voidaan skaalata yksimoodisen toiminnan ulkopuolelle.

Aiheesta aiemmin:

Fononeilla parannusta valonkeruun ja valoemission rakenteille

Äänisignaalit siruilla? lähes ilman signaalihäviötä

Mekaanista kvanttitekniikkaa