中科大：實現相干聲子動力學，並且證明了聲子之間的信息傳遞！

2020-10-18 博科園

文章來自：博科園官網

中國科學院中國科學技術大學郭國平教授、宋驤驤教授、鄧光偉（現就職於電子科技大學）與加州大學默塞德分校田琳教授和Origin量子有限公司合作，在納米機械諧振器方面取得了重要進展。他們在空間分離的機械諧振器中實現了相干聲子操縱，其研究成果發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。隨著納米技術的飛速發展，聲表面波諧振器和納米機械諧振器等器件：

被發現適合於少數聲子甚至單個聲子的產生、存儲和操縱，可以進一步應用於經典和量子信息處理中。各種應用的實現需要不同聲子模式之間的相干操作。以前已經報導過相鄰聲子模式之間的相干操作，而空間分離聲子模式之間可控的相干信息傳輸在技術上仍然具有挑戰性。圍繞這一目標，研究人員在之前成果的基礎上設計了一種新裝置。利用石墨烯特殊的電子和力學性質，實現了中心聲子模介導的非相鄰聲子模之間的可調諧強耦合。

  • （上圖所示）通過正方形晶格傳播的聲子（原子位移被大大放大）。圖片：Wikipedia

通過改進樣品結構設計和測試技術，耦合強度和品質因數分別比以前的工作提高了一個數量級和兩個數量級。合作係數達到107，比其他作品高出幾個數量級。由於具有高可調諧性、大耦合強度和良好的相干性，研究人員展示了該系統中：非相鄰聲子模之間的電調諧拉比振蕩和拉姆齊幹涉。本研究首次在實驗上實現了非相鄰聲子模間的可調諧相干聲子動力學。

  • （上圖所示）具有三個基於石墨烯納米機械諧振器鏈的設備架構示意圖和掃描電子顯微鏡圖像。圖片：University of Science and Technology of China

展示了利用納米機械諧振器中的聲子模式進行信息存儲和處理的新可能性，以及基於納米聲子學的混合器件。研究人員表示：這些結果顯然超出了迄今為止在經典體制中對諧振器相干操縱所取得的成就。利用冷卻技術的優勢，本研究也為聲子在量子區的相干操縱和基於聲子的新型量子器件發展提供了啟示。納米技術的快速發展，使得使用長壽命振動聲子模進行經典和量子信息處理成為可能。

  • （上圖所示）（a）樣品電子顯微鏡側視圖，懸浮部分為石墨烯條帶。（b）非近鄰納米級諧振子間的Rabi振蕩圖樣。（c）非近鄰納米級諧振子間的Ramsey幹涉。圖片：中國科學技術大學

儘管在過去的十年中不斷努力，但可調諧聲子介導的信息，在遠距離聲子模式之間的傳遞和處理在技術上仍然具有挑戰性。利用石墨烯優異的電學和力學性質，可以在空間分離的石墨烯機械諧振器之間實現電調諧的相干聲子動力學。門可控的諧振頻率、耦合強度和相干聲子動力學表明，以振動模式編碼的信息可以在空間分離的諧振器之間存儲、傳輸和操作。本研究成果不僅證明了聲子之間的信息傳遞，而且為基於聲子的可伸縮信息處理提供了基礎。

博科園｜研究/來自：中國科學院/劉佳

參考期刊《美國國家科學院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1916978117

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