納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)方面研究進(jìn)展：三個(gè)串聯(lián)的石墨烯納米諧振器

納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)方面研究進(jìn)展：三個(gè)串聯(lián)的石墨烯納米諧振器

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦率領(lǐng)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)方面取得新進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)室教授郭國(guó)平、副研究員鄧光偉等與美國(guó)加州大學(xué)默塞德分校教授田琳合作，在研究?jī)蓚€(gè)石墨烯納米諧振器的模式耦合過(guò)程中，創(chuàng)新性地引入第三個(gè)諧振器作為聲子腔模，成功實(shí)現(xiàn)非近鄰的模式耦合，通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)腔模頻率可以實(shí)現(xiàn)非近鄰耦合強(qiáng)度從弱耦合到強(qiáng)耦合的連續(xù)變化。1月26日，相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Communications上。


納米諧振器具有尺寸小、穩(wěn)定性好、品質(zhì)因子高等優(yōu)點(diǎn)，是信息存儲(chǔ)和操控的優(yōu)良載體。為了實(shí)現(xiàn)不同諧振模式之間的信息傳遞，需要先實(shí)現(xiàn)模式間的可控耦合。近年來(lái)，國(guó)際上不同研究組針對(duì)同一諧振器中的不同諧振模式以及近鄰諧振器之間的模式耦合機(jī)制進(jìn)行了深入研究。此前，郭國(guó)平研究組已實(shí)現(xiàn)了近鄰諧振器之間的強(qiáng)耦合以及對(duì)諧振模式的相干操控，系列工作發(fā)表在《納米快報(bào)》上。然而，對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)非近鄰的、可調(diào)的諧振模式耦合，國(guó)際上一直沒(méi)有很好的解決方案，也未見(jiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)道。

納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)方面研究進(jìn)展：三個(gè)串聯(lián)的石墨烯納米諧振器

針對(duì)這一難題，研究組設(shè)計(jì)和制備了三個(gè)串聯(lián)的石墨烯納米諧振器，如下圖所示，每個(gè)諧振器的諧振頻率可以通過(guò)各自底部的金屬電極進(jìn)行大范圍的調(diào)節(jié)，因此只要設(shè)定合適的電極電壓就可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)諧振器的共振耦合。研究組首先測(cè)量到兩個(gè)近鄰諧振器之間的模式劈裂，證明在該串聯(lián)結(jié)構(gòu)中近鄰諧振器可以達(dá)到強(qiáng)耦合區(qū)間，這為進(jìn)一步探索第一個(gè)和第三個(gè)諧振器之間的耦合創(chuàng)造了條件。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探索，研究組發(fā)現(xiàn)當(dāng)把中間諧振器的共振頻率調(diào)到遠(yuǎn)高于（或遠(yuǎn)低于）兩端諧振器的共振頻率時(shí)，兩端諧振器之間不能發(fā)生模式劈裂，即二者耦合強(qiáng)度非常??；但當(dāng)中間諧振器的共振頻率逐漸靠近兩端諧振器的共振頻率時(shí)，兩端諧振器逐漸產(chǎn)生模式劈裂，且劈裂值逐漸增大。


該過(guò)程類似于光學(xué)領(lǐng)域中的拉曼過(guò)程，這里中間諧振器等效于一個(gè)聲子腔模，兩端諧振器通過(guò)與該腔模交換虛聲子從而產(chǎn)生等效耦合（見(jiàn)下圖）。通過(guò)光學(xué)拉曼過(guò)程的理論可知，通過(guò)虛光子交換產(chǎn)生的等效耦合強(qiáng)度會(huì)隨著失諧量的增大而減小，該理論預(yù)期與研究組在聲子耦合實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果相似。因此，研究組參照光學(xué)拉曼過(guò)程推導(dǎo)出該聲子耦合體系的拉曼耦合理論，并發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的數(shù)據(jù)和該理論吻合得非常好。


該實(shí)驗(yàn)是首次在納米諧振器體系中實(shí)現(xiàn)諧振模式的非近鄰耦合，對(duì)于納米機(jī)電諧振器領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的推動(dòng)意義，并為將來(lái)在量子區(qū)間利用聲子模式進(jìn)行信息的長(zhǎng)程傳遞創(chuàng)造了條件。研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。

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