中国科大在石墨烯机电系统中实现非近邻谐振子的强耦合
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导 读
中国科大郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在石墨烯纳米机电系统(NEMS) 方向取得重大进展。该实验室郭国平教授、邓光伟副研究员等人和美国加州大学默塞德分校田琳教授合作，在非近邻的石墨烯纳米谐振子之间开创性地引入第三个谐振子作为声子腔模，成功地实现了远程强耦合，并通过调节声子腔频率实现了耦合强度的连续调节。研究成果发表在2018年1月26日出版的《Nature Communications》上 [1]。
图1. 三个石墨烯谐振子串联结构的耦合示意图以及扫描电子显微镜图。
纳米谐振子具有尺寸小、稳定性好、品质因子高等优点，是信息存储、操控和传输的优良载体。经典和量子信息都可以被编码在谐振子的声子态上，这些声子态也可以用于传输信息。同时，因为量子声子学的迅速发展，该领域吸引了越来越广泛的关注。大量理论和实验的工作已经深入地研究了声子态作为连接不同系统的媒介以及使用声子模式进行信息存储和传输［2］。
纳米谐振子作为信息载体的一个主要难题是如何在长距离上实现可调的声子相互作用，从而实现信息远程传输。国际上许多研究组针对这个难题做了一系列的研究，其通用的做法是采用光学腔或超导微波腔作为传递耦合的媒介。但是由于谐振子和光腔、微波腔频率相差巨大，且耦合强度通常较小、很难达到强耦合区间。因此通过这种耦合方式实现非近邻谐振模式的强耦合就变得异常困难。
针对这一难题，郭国平团队提出利用谐振子本身作为声子腔模来代替光腔或微波腔的设想。由于它的频率和作为信息载体的谐振子处于同一频谱范围，声子腔模可以有效的耦合这些谐振子。同时，郭国平研究组已经实现了近邻谐振子之间的强耦合以及对谐振模式的相干操控，其系列工作发表在国际权威杂志《纳米快报》上 [3, 4]。基于这些工作，郭国平团队设计和制备了三个石墨烯纳米谐振子的串联结构（见图1）。在这个器件中，每个谐振子的谐振频率可以通过各自底部的金属电极进行大幅度的调节。这种高度的可调性为在不同频率区间段实现和调节各个谐振子之间的耦合创造了条件。研究团队首先测量了每两个近邻谐振子之间的模式劈裂。实验结果证明在该串联结构中近邻谐振子可以达到强耦合区间，为进一步探索第一个和第三个谐振子之间的耦合提供了基础。研究组进一步发现当把中间谐振子的频率调到接近于两端谐振子的共振频率时，两端谐振子之间出现了很大的模式劈裂，而且劈裂值可以通过控制中间谐振子的频率进行大范围的调控。
这个物理现象类似于光学领域中的拉曼过程。中间的谐振子等效于一个中间量子态，两端谐振子的声子模式通过与这个中间态交换虚声子而产生等效耦合（见图1）。使用光学拉曼过程的理论分析，研究团队获得了两端谐振子的等效耦合强度及其随着失谐量的变化关系。实验中测量到的等效耦合与理论结果吻合得非常好。
这个实验首次实现了石墨烯纳米谐振子中的非近邻耦合，对于机电谐振子领域的研究具有重要的推动意义。随着声子冷却研究的进一步发展，该研究为以声子模式作为载体进行量子信息的存储和传输创造了条件。
文章共同第一作者为中科院量子信息重点实验室博士后罗刚和研究生张拙之。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部、美国自然科学基金以及加州大学的资助。部分样品加工流程在中国科学技术大学微纳研究与制造中心完成。
[1] G. Luo, Z.-Z. Zhang, G.-W. Deng, H.-O. Li, G. Cao, M. Xiao, G.-C.Guo, L. Tian, and G.-P. Guo, Strong indirect coupling between graphene-based mechanical resonators via a phonon cavity, Nature Commun. 9, 383 (2018)
https://www.nature.com/articles/s41467-018-02854-4
[2] L. Tian, Optoelectromechanical transducer: reversible conversion between microwave and optical photons, Ann. Phys. (Berlin) 527, 1 (2015).
[3] G-W. Deng, D.Zhu, X-H. Wang, C-L. Zou, J-T. Wang, H-O. Li, G. Cao, D. Liu, Y. Li, M. Xiao,G-C. Guo, K-L. Jiang, X-C. Dai, G-P. Guo, Strongly coupled nanotube electromechanical resonators, Nano Lett. 16,5456 (2016).
[4] D. Zhu, X-H. Wang, W-C. Kong, G-W. Deng, J-T. Wang, H-O.Li, G. Cao, M. Xiao, K-L. Jiang, X-C. Dai, G-C. Guo, F. Nori, G-P. Guo,Coherent phonon Rabi oscillations with a high frequency carbon nanotube resonator, Nano Lett. 17, 915 (2017).
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