GHz非线性多模超导电声系统 | 前沿快讯No.32

耶鲁大学电机工程学系Hong X. Tang和Xu Han及其合作者提出了一种非线性多模超导电声系统，其中超导动力学电感和压电强耦合的相互作用在10 GHz时建立了多声模之间的有效克尔非线性，突破了固有的机械非线性的极限。相关研究成果以Superconducting Cavity Electromechanics: The Realization of anAcoustic Frequency Comb at Microwave Frequencies为题，发表于《物理评论快报》Physical Review letters, 2022, 129, 107701上。

低耗散的机械和声学谐振器已成为许多应用中的关键元器件，如弱质量和力检测，定时和频率控制，以及频率转换等等。尤其是在纳米和微尺度上，机械谐振器中非线性行为的最新研究因其在新型设备功能方面的潜力而引起了极大的关注。利用机械非线性，成功实现了参数放大、频率调谐和频率稳定。

在许多应用中，非常需要超过千兆赫(GHz)的高频率操作来抑制热机械噪声的影响、提高计时精度和制备非经典机械状态。然而，到目前为止，大多数非线性机械或声学系统只能在高达几兆赫的低频下工作。挑战主要来自于在如此高的频率下制备高质量因子(Q)的机械谐振器，因为质量因子(Q)随着频率的增加而迅速降低，受到经验的f·Q乘积的限制。同时，机械谐振器固有的机械非线性也随着频率的增加而降低，这是因为机械谐振器变硬，其变形振幅显著降低。因此，千兆赫兹(GHz)机械谐振器的固有非线性效应，如通常采用的杜芬和静电弹簧效应，通常是非常微弱的。为了克服这些障碍，开发一个可以显著提高非线性的混合力学系统是非常重要的。

本文作者耶鲁大学电机工程学系Hong X. Tang和Xu Han及其合作者提出了一种非线性多模超导电声系统，其中超导动力学电感和压电强耦合的相互作用在10 GHz时建立了多声模之间的有效克尔非线性，突破了固有的机械非线性的极限。通过用单个微波音调来激发这个多模克尔系统，作者进一步实现了一个相干电声频率梳，并提供了在超强耦合极限下的多模非线性相互作用的理论解释。该非线性超导电声系统凸显了多模谐振器系统的主动控制，并为微波频率下微梳的动力学研究提供了一个可能的平台。

其非线性混合系统包括一个非线性频率可调谐的超导谐振器与一个体声谐振器，通过压电效应相互耦合。作为核心的非线性元件，超导谐振器可以实现两种功能：它不仅可以作为参数放大的增益介质，而且还提供了频率可调性，以满足微梳产生的频率匹配要求。它由一个平面电容(C)和一个由6根窄线性的高运动电感构建的非线性电感(L)组成(图一.a)。频率调谐是通过非线性电感器中的空穴阵列结构实现的；外部磁场诱导了空穴周围的直流超流，从而改变了动力电感，调整了超导谐振器的共振频率。在2 mT的磁场范围内，可以实现0.36%的相对频率调谐(对应于39 MHz)(图一.c)。

图1 非线性频率可调谐超导谐振器。

实验中，该装置被封装在一个铜支架中，并有一个放置在超导谐振器上方的超导线圈为频率调谐提供外部磁场(Bext)，利用电感耦合回路探针将微波信号送入并读出(图一.d)。然后将该装置安装在稀释制冷机的静止平板上，并在900 mK下进行测量，利用矢量网络分析仪的微波反射光谱来探测器件的被动响应。

在不同外加偏置磁场下的多模光谱中，可以清楚在一个较宽的频率范围内地观察到一组混合模式。为了研究电声梳的产生，将−18dBm的微波激发送入设备，记录了不同磁场下输出信号的功率谱。

图2 不同磁场下的微波反射谱和微波功率谱。

作者进一步通过表征时间振荡，研究了电声梳的相干性。

图3 电声梳相干性测量。

原文链接

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.129.107701

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