Optomechanical crystal in light-resilient quantum ground state
Questo articolo presenta una cavità fotonica a cristallo optomeccanico in silicio, su scala di chip e senza rilascio, che raggiunge un funzionamento allo stato fondamentale quantistico criogenico con una resilienza termica significativamente migliorata e una soppressione dell'effetto termo-ottico di 18 dB rispetto ai design sospesi, nonostante le attuali limitazioni nella dinamica di operazione impulsiva.
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Nel silenzioso mondo della scienza quantistica, i ricercatori cercano costantemente di costruire ponti tra diversi tipi di energia. Immaginate di cercare di connettere un'onda radio, che trasporta informazioni in casa vostra, a un raggio di luce, che trasporta dati attraverso internet. Queste due forme di energia di solito non comunicano tra loro; sono come estranei che parlano lingue diverse. Per farle comunicare, gli scienziati utilizzano minuscole parti meccaniche che possono vibrare a velocità incredibilmente elevate. Queste parti agiscono come un traduttore universale, catturando il ritmo di un segnale a microonde e trasformandolo in una vibrazione, che può poi essere convertita in luce. Per far sì che questa traduzione funzioni perfettamente, tuttavia, la parte meccanica deve essere perfettamente immobile, esistendo nel suo stato di energia più basso possibile. Se la parte si scalda anche solo leggermente, inizia a tremare a causa del rumore termico casuale, rovinando la delicata informazione quantistica che sta cercando di trasportare.
La sfida è sempre stata mantenere queste piccole macchine fredde. La maggior parte di questi dispositivi è costruita come piccoli ponti sospesi nell'aria, isolati dal resto del chip per evitare la perdita di energia. Sebbene questo isolamento aiuti a farli vibrare in modo pulito, significa anche che non hanno modo di smaltire il calore che generano quando vengono colpiti da un laser. La luce che dovrebbe controllarli finisce per riscaldarli, creando un ciclo di rumore difficile da interrompere. Gli scienziati cercano da tempo un design che mantenga forte la vibrazione meccanica ma che permetta al calore di uscire facilmente, un equilibrio che si è rivelato difficile da raggiungere nei chip di silicio che alimentano la tecnologia moderna.
Un team di ricercatori della Chalmers University of Technology in Svezia ha ora dimostrato un nuovo modo per risolvere questo problema. Invece di sospendere il loro dispositivo meccanico nell'aria, lo hanno costruito direttamente sulla superficie solida del chip. Questo design "senza rilascio" mantiene la vibrazione meccanica intrappolata dalle leggi della fisica, specificamente un fenomeno in cui le onde sonore rimbalzano avanti e indietro all'interno del materiale invece di fuoriuscire. Poiché il dispositivo è incollato al chip, qualsiasi calore generato dal laser ha un percorso diretto per uscire nel materiale circostante, agendo come un dissipatore di calore. I ricercatori hanno testato questo nuovo design all'interno di un frigorifero raffreddato a temperature vicine allo zero assoluto, molto più freddo dell'inverno più rigido dell'Antartide, per vedere quanto bene potesse gestire il calore di un raggio laser.
I risultati hanno mostrato un miglioramento drammatico nella gestione della luce da parte del dispositivo. Quando i ricercatori proiettavano un laser nel dispositivo sospeso, il calore causava l'espansione del materiale e ne alterava le proprietà, interrompendo l'esperimento a livelli di potenza relativamente bassi. Al contrario, il nuovo dispositivo senza rilascio poteva sopportare un raggio laser circa 35 decibel più forte prima di mostrare lo stesso livello di disturbo termico. Per mettere questo in prospettiva, il nuovo design poteva gestire un'intensità di luce migliaia di volte superiore a quella che il vecchio design poteva tollerare, pur mantenendo la vibrazione meccanica abbastanza calma da operare nello stato fondamentale quantistico. Ciò significa che il dispositivo può elaborare molta più informazione o operare con luce molto più intensa senza perdere la sua precisione quantistica.
Il team ha misurato il comportamento del dispositivo contando le singole particelle di suono, note come fononi, che vengono create dal calore. Hanno scoperto che il nuovo design manteneva il numero di queste vibrazioni indesiderate al di sotto di uno, una soglia necessaria per le operazioni quantistiche, anche quando il laser immetteva molta più energia rispetto a prima. Questa stabilità è stata osservata sia in flussi continui di luce che in impulsi rapidi. Tuttavia, i ricercatori hanno anche scoperto una complicazione. Sebbene il dispositivo si raffreddasse rapidamente dopo un impulso di luce, il processo di raffreddamento non seguiva una curva semplice e prevedibile. Invece, il calore sembrava persistere in un modo che non svaniva dolcemente, suggerendo che ci sia una fonte nascosta di rumore termico che il team non ha ancora identificato completamente. Questo calore persistente impedisce al dispositivo di funzionare perfettamente negli esperimenti rapidi a impulsi, sebbene funzioni bene per le operazioni costanti e continue.
Nonostante questo mistero rimanente, le scoperte segnano un passo avanti significativo. Lo studio dimostra che attaccare queste delicate strutture meccaniche direttamente al chip non rovina la loro capacità di vibrare; anzi, le rende molto più robuste contro il calore che generano. I ricercatori suggeriscono che questa nuova architettura potrebbe essere la chiave per costruire computer quantistici e sistemi di comunicazione migliori, dove la conversione dei segnali tra microonde e luce è essenziale. Risolvendo il problema del calore, hanno aperto la strada all'uso di questi chip di silicio per applicazioni ad alta potenza che prima erano impossibili. Il lavoro fornisce anche una nuova piattaforma per studiare come il calore si muove attraverso strutture minuscole, offrendo intuizioni che potrebbero migliorare il design dei futuri dispositivi quantistici. I ricercatori stanno ora cercando di perfezionare la superficie dei chip e testare il design su materiali diversi per vedere se possono eliminare il rumore persistente e sbloccare tutto il potenziale di queste macchine quantistiche resistenti alla luce.
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