Release-free phononic crystal with strong microwave coupling
Questo articolo dimostra che le cavità a cristallo fononico non sospese, fabbricate su niobato di litio, possono raggiungere un forte accoppiamento elettromeccanico con risonatori a microonde ad alta impedenza e alti fattori di qualità a temperature millikelvin, superando i precedenti limiti dei dispositivi sospesi e abilitando interfacce scalabili per sistemi di informazione quantistica.
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Immaginate un mondo in cui l'informazione non viaggia solo come elettricità o luce, ma come minuscole vibrazioni invisibili chiamate "fononi". Pensate a questi non come a suoni che si possono sentire, ma come al tremolio microscopico degli atomi, che si muovono così velocemente da vibrare miliardi di volte al secondo. Gli scienziati sono entusiasti di queste vibrazioni perché sono i mediatori perfetti. Possono parlare contemporaneamente con i chip per computer superveloci (che usano le microonde) e con i cavi a fibra ottica (che usano la luce). Se riuscissimo a farli comunicare efficacemente, potremmo costruire una super-internet capace di connettere computer quantistici in tutto il mondo, o sensori in grado di percepire cose che non abbiamo mai sentito prima.
Tuttavia, c'è un problema. Per far sì che queste vibrazioni funzionino bene, gli scienziati di solito devono costruirle su minuscole isole di materiale fluttuanti, sospese nell'aria come un tappeto elastico. Questo evita che le vibrazioni si disperdano nel tavolo su cui sono appoggiate. Ma c'è un inconveniente: se si fa fluttuare qualcosa, questa si scalda. Quando si cerca di controllare queste vibrazioni con la luce o l'elettricità, esse si scaldano e, poiché sono sospese, il calore non ha modo di uscire. È come cercare di raffreddare una tazza di caffè caldo tenendola in un vuoto; il calore rimane intrappolato, rovinando la delicata informazione quantistica. Per molto tempo, gli scienziati hanno pensato di dover scegliere: o mantenere le vibrazioni fredde e intrappolate facendole fluttuare, o lasciare che tocchino terra per restare fresche, rischiando però di perdere il segnale.
Questo articolo presenta un nuovo e intelligente modo per infrangere questa regola. I ricercatori hanno costruito un "cristallo fononico", che è essenzialmente un labirinto microscopico scolpito in un sottile film di niobato di litio. Di solito, questi labirinti vengono scolpiti in film fluttuanti, ma questo team ha deciso di lasciare il loro labirinto appoggiato piatto sul tavolo (il substrato). Hanno capito come intrappolare le vibrazioni all'interno del labirinto usando una geometria intelligente e le leggi della fisica, anche se il pavimento è proprio lì sotto. È come costruire una stanza insonorizzata dentro una casa senza dover appendere le pareti al soffitto; le pareti fanno rimbalzare il suono verso l'interno così perfettamente che esso non riesce mai a uscire, anche se il pavimento è solido.
Il team ha costruito con successo questo dispositivo "senza rilascio" (release-free) e lo ha collegato a un circuito a microonde. Hanno scoperto che le vibrazioni e i segnali a microonde possono comunicare tra loro incredibilmente velocemente — così velocemente che possono scambiarsi energia prima che uno dei due abbia la possibilità di perderla. Hanno misurato un tasso di accoppiamento di circa 30 MHz, che è una velocità molto alta per questo tipo di interazione. Ciò significa che il dispositivo è ora "fortemente accoppiato", un modo elegante per dire che i due sistemi stanno danzando insieme così strettamente da agire come un'unica unità.
Ancaggi meglio, hanno testato questo sistema su due diversi tipi di "pavimenti": silicio e zaffiro. In entrambi i casi, quando hanno raffreddato il dispositivo a temperature vicine allo zero assoluto (millikelvin), le vibrazioni sono diventate molto efficienti, con fattori di qualità (una misura di quanto dura la vibrazione) che hanno raggiunto valori superiori a 10.000. Questo dimostra che non è necessario sospendere il dispositivo per ottenere buone prestazioni; si può semplicemente lasciarlo piatto sul chip e ottenere comunque un segnale forte e pulito.
I ricercatori hanno anche scoperto che, sebbene il dispositivo funzioni molto bene, il modo in cui è stato costruito ha aggiunto un po' di "rumore" o resistenza extra alla parte a microonde del sistema. Sospettano che ciò sia dovuto al fatto che le parti metalliche utilizzate per collegare tutto erano un po' disordinate o perché c'erano vibrazioni extra indesiderate nelle vicinanze. Suggeriscono che, se pulissero il design e rifilassero i collegamenti metallici, il dispositivo potrebbe diventare ancora migliore, potenzialmente raggiungendo velocità superiori a 100 MHz in futuro.
In breve, questo articolo dimosta che possiamo costruire questi ponti quantistici senza le complicatissime parti fluttuanti che intrappolano il calore. Lasciando che il dispositivo rimanga piatto sul chip, possiamo mantenerlo fresco e stabile, aprendo la strada alla creazione di computer quantistici più piccoli e affidabili e di sensori capaci di comunicare con la luce e l'elettricità senza surriscaldarsi. È un passo verso rendere la tecnologia quantistica del futuro non solo possibile, ma pratica e "cool".
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