光力学模拟石墨烯晶格

微机械振荡器的精确控制是许多当代技术的基础，从传感和定时到智能手机中的射频滤波器。在过去的十年中，机械系统的量子控制已经牢固地建立了第一波发展中的原子，分子和离子以及第二次量子革命中的超导电路。

一种超导电路光机械石墨烯晶格。图片来源：安德里亚·班科拉（EPFL）

这尤其受到腔体光力学的催化。该领域使我们能够用电磁辐射压力控制介观机械物体。这大大提高了我们对量子性质的理解，从而实现了许多进步，包括基态冷却、量子挤压和机械振荡器的远程纠缠。

开创性的理论研究预测，在光机械晶格中可以获得更丰富的物理学和新的动力学，包括量子集体动力学和拓扑现象。但是，在高度控制下通过实验复制这些设备，以及构建可以容纳多个耦合光学和机械自由度的光机械晶格一直是一个挑战。

洛桑联邦理工学院基础科学学院的Tobias J. Kippenberg小组的研究人员现在已经建立了第一个大规模和可配置的超导电路光机械晶格，可以克服量子光机械系统的缩放挑战。该团队实现了光力学应变石墨烯晶格，并使用新颖的测量技术研究了非平凡拓扑边缘状态。这项工作现在发表在《自然》杂志上。

关键元件是晶格单个位点的一部分，是所谓的“真空间隙鼓头电容器”，它由悬浮在硅衬底沟槽上的铝薄膜制成。这构成了设备的振动部分，同时与螺旋电感器形成谐振微波电路。

“我们为超导电路光机械系统开发了一种新颖的纳米制造技术，具有高重现性和对单个器件参数的极其严格的公差，”领导该项目的Amir Youssefi说。“这使我们能够将不同的地点设计成几乎相同的，就像在自然格子中一样。

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“光机械石墨烯片”中观察到这种状态，该片由二十四个位点组成。

“多亏了内置的光机械工具包，我们能够直接和非扰动地对这种晶格中的集体电磁模形进行成像，”为这项研究做出贡献的Andrea Bancora说。 “这是这个平台的独特之处。

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测试平台。

“通过获得这些集体激发的能级和振型，我们能够重建系统的完整底层哈密顿量，首次允许完全提取超导晶格中的无序和耦合强度，”研究小组的另一名成员Shingo Kono说。

光机械晶格的演示不仅为研究凝聚态晶格模型的多体物理学提供了途径，而且还将为与超导量子比特结合时的新型混合量子系统提供一条途径。