La optomecánica simula las redes de grafeno

27.12.2022 - Suiza

El control preciso de osciladores micromecánicos es fundamental para muchas tecnologías contemporáneas, desde la detección y el cronometraje hasta los filtros de radiofrecuencia de los teléfonos inteligentes. En la última década, el control cuántico de sistemas mecánicos se ha afianzado con átomos, moléculas e iones en la primera oleada de desarrollo y circuitos superconductores en la segunda revolución cuántica.

Esto ha sido catalizado en particular por la optomecánica de cavidades. Este campo nos ha permitido controlar objetos mecánicos mesoscópicos con la fuerza de presión de la radiación electromagnética. Esto ha mejorado sustancialmente nuestra comprensión de su naturaleza cuántica, lo que ha permitido una serie de avances, entre ellos el enfriamiento del estado base, el estrujamiento cuántico y el entrelazamiento remoto de osciladores mecánicos.

Estudios teóricos pioneros han predicho que en las redes optomecánicas se puede acceder a una física mucho más rica y a dinámicas novedosas, como la dinámica colectiva cuántica y los fenómenos topológicos. Sin embargo, reproducir experimentalmente estos dispositivos bajo un alto grado de control y construir entramados optomecánicos capaces de albergar múltiples grados de libertad ópticos y mecánicos acoplados ha sido todo un reto.

Los investigadores del grupo de Tobias J. Kippenberg, de la Facultad de Ciencias Básicas de la EPFL, han construido la primera red optomecánica de circuito superconductor configurable a gran escala capaz de superar los retos de escalado de los sistemas optomecánicos cuánticos. El equipo ha creado una red optomecánica de grafeno tensado y ha estudiado estados topológicos de borde no triviales mediante novedosas técnicas de medición. Este trabajo se publica en Nature.

El elemento clave, que forma parte del sitio único de la red, es un denominado "condensador de tambor con vacío", formado por una fina película de aluminio suspendida sobre una zanja en un sustrato de silicio. Constituye la parte vibratoria del dispositivo y, al mismo tiempo, forma un circuito resonante de microondas con un inductor en espiral.

"Hemos desarrollado una novedosa técnica de nanofabricación para sistemas optomecánicos de circuitos superconductores con una gran reproducibilidad y tolerancias extremadamente ajustadas en los parámetros de los dispositivos individuales", afirma Amir Youssefi, que dirigió el proyecto. "Esto nos permite diseñar los distintos sitios para que sean prácticamente idénticos, como en una red natural".

Es bien sabido que la red de grafeno presenta propiedades topológicas no triviales y estados de borde localizados. Los investigadores observaron tales estados en lo que denominan un "copo de grafeno optomecánico", formado por veinticuatro sitios.

"Gracias al conjunto de herramientas optomecánicas incorporadas, pudimos obtener imágenes directas y no perturbativas de las formas de los modos electromagnéticos colectivos en estas redes", explica Andrea Bancora, que ha colaborado en la investigación. "Se trata de una característica única de esta plataforma".

Las mediciones del equipo coinciden con las predicciones teóricas, lo que demuestra que su nueva plataforma es un banco de pruebas fiable para estudiar la física topológica en redes unidimensionales y bidimensionales.

"Al tener acceso tanto a los niveles de energía como a las formas de los modos de estas excitaciones colectivas, pudimos reconstruir el Hamiltoniano subyacente completo del sistema, permitiendo por primera vez la extracción completa del desorden y las fuerzas de acoplamiento en una red superconductora", afirma Shingo Kono, otro miembro del equipo de investigación.

La demostración de las celosías optomecánicas no sólo permite estudiar la física de muchos cuerpos en estas realizaciones de modelos de celosía de materia condensada, sino que también proporcionará una vía hacia nuevos sistemas cuánticos híbridos cuando se combinen con qubits superconductores".

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