中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
中科大郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點實驗室在納米機電系統(tǒng)(NEMS)方面取得新進(jìn)展。該實驗室郭國平教授、鄧光偉副研究員等人與美國加州大學(xué)默塞德分校田琳教授合作，在研究兩個石墨烯納米諧振器的模式耦合過程中，創(chuàng)新性地引入第三個諧振器作為聲子腔模，成功地實現(xiàn)了非近鄰的模式耦合，通過簡單地調(diào)節(jié)腔模頻率可以實現(xiàn)非近鄰耦合強度從弱耦合到強耦合的連續(xù)變化。相關(guān)研究成果發(fā)表在2018年1月26日出版的《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，是信息存儲和操控的優(yōu)良載體。為了實現(xiàn)不同諧振模式之間的信息傳遞，需要先實現(xiàn)模式間的可控耦合。近年來，國際上不同研究組針對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制進(jìn)行了深入研究。此前，郭國平教授研究組已經(jīng)實現(xiàn)了近鄰諧振器之間的強耦合以及對諧振模式的相干操控，系列工作發(fā)表在國際權(quán)威雜志《納米快報》 (Nano Lett.16, 5456 (2016)；Nano Lett.17, 915 (2017)) 上。然而，對于如何實現(xiàn)非近鄰的、可調(diào)的諧振模式耦合，國際上一直沒有很好的解決方案，也未見相關(guān)實驗報道。
針對這一難題，研究組設(shè)計和制備了三個串聯(lián)的石墨烯納米諧振器，如下圖1所示，每個諧振器的諧振頻率可以通過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現(xiàn)三個諧振器的共振耦合。研究組首先測量到了兩個近鄰諧振器之間的模式劈裂，證明了在該串聯(lián)結(jié)構(gòu)中近鄰諧振器可以達(dá)到強耦合區(qū)間，這為進(jìn)一步探索第一個和第三個諧振器之間的耦合創(chuàng)造了條件。經(jīng)過實驗探索，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，兩端諧振器之間不能發(fā)生模式劈裂，即二者耦合強度非常小；但是當(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，兩端諧振器逐漸產(chǎn)生模式劈裂，且劈裂值逐漸增大。
該過程類似于光學(xué)領(lǐng)域中的拉曼過程，這里中間諧振器等效于一個聲子腔模，兩端諧振器通過與該腔模交換虛聲子從而產(chǎn)生等效耦合（見下圖）。通過光學(xué)拉曼過程的理論可以知道通過虛光子交換產(chǎn)生的等效耦合強度會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驗中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果相似。因此研究組參照光學(xué)拉曼過程推導(dǎo)出了該聲子耦合體系的拉曼耦合理論，并且發(fā)現(xiàn)實驗測量到的數(shù)據(jù)和該理論吻合得非常好。
三個石墨烯諧振器串聯(lián)結(jié)構(gòu)的耦合示意圖以及掃描電子顯微鏡圖
該實驗是首次在納米諧振器體系中實現(xiàn)諧振模式的非近鄰耦合，對于納米機電諧振器領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的推動意義，并且為將來在量子區(qū)間利用聲子模式進(jìn)行信息的長程傳遞創(chuàng)造了條件。
文章共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士后羅剛和研究生張拙之。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的資助。部分樣品加工流程在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心完成。
