The Signal
Un team di Harvard usa la tensione per rafforzare l’accoppiamento SiV-fonone
Ricercatori di Harvard riferiscono che le nanotravi di diamante sottoposte a tensione possono migliorare la coerenza meccanica e al tempo stesso aumentare l’accoppiamento con i centri silicio-vacanza vicini ai punti di ancoraggio delle trav
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
La tensione può rendere un risonatore meccanico meno rumoroso, ma solleva anche un problema per i dispositivi quantistici: la deformazione che accoppia un risonatore a un difetto potrebbe indebolirsi al diminuire delle perdite meccaniche. Un team di Harvard riferisce di aver trovato un modo per aggirare questo compromesso nelle nanotravi di diamante, dove la deformazione causata dalle vibrazioni si concentra vicino ai punti di ancoraggio e rafforza l’accoppiamento con i centri silicio-vacanza collocati in quelle posizioni.
Gli esperimenti mostrano un accoppiamento dieci volte più forte in corrispondenza di un punto di ancoraggio rispetto al centro della trave, insieme a fattori di qualità meccanica fino a 26 milioni. Il risultato riguarda l’accoppiamento tra il moto della trave e gli stati orbitali degli SiV; un’interfaccia coerente con gli stati di spin del difetto resta un possibile passo successivo, non un risultato dimostrato.
La deformazione si concentra nei punti di ancoraggio della nanotrave
Guanhao Huang, Amberly Xie, Chang Jin, Evelyn Hu e Marko Lončar hanno costruito i dispositivi a partire da travi sospese di diamante, che acquisiscono tensione attraverso un processo di autoassemblaggio basato sulle forze di van der Waals che coinvolge la condensazione dell’acqua. Le travi sono lunghe 200 micrometri e spesse circa 217 nanometri. Il team ha impiantato centri SiV in cinque posizioni lungo ciascun risonatore per confrontare la loro risposta alla deformazione statica e alle vibrazioni.
In una trave sottoposta a tensione, lo sforzo statico confina la flessione in una regione ristretta vicino ai supporti. Questo concentra la deformazione variabile, o dinamica, nei punti di ancoraggio, mentre la tensione riduce la dissipazione meccanica. I ricercatori hanno usato misurazioni ottiche dell’emissione degli SiV per osservare come tale deformazione spostasse le righe spettrali dei difetti, anche nel punto di ancoraggio, dove lo spostamento della trave è troppo piccolo per una misurazione interferometrica diretta.
Una misura di accoppiamento più forte e una correzione
Nel punto di ancoraggio, l’accoppiamento orbitale degli SiV con il moto meccanico misurato era dieci volte superiore rispetto al centro della trave. Il team riferisce che la diluizione della dissipazione dovuta alla tensione ha migliorato il fattore di qualità meccanica del dispositivo fino a 30 volte rispetto al suo valore intrinseco. I dispositivi sottoposti alla maggiore deformazione hanno raggiunto un fattore di qualità meccanica di 26 milioni; il fattore di qualità intrinseco del materiale era di circa un milione a 4 kelvin, senza alcun degrado misurabile dovuto all’impianto ionico utilizzato per creare gli SiV.
Il lavoro rivede anche un parametro importante per la progettazione di dispositivi futuri. Calibrando la deformazione sulla base della frequenza misurata del risonatore, i ricercatori hanno rilevato che la risposta orbitale degli SiV alla deformazione è circa 0,356 volte il valore riportato in precedenza, approssimativamente tre volte inferiore. Secondo gli autori, questa correzione significa che le stime precedenti dell’accoppiamento spin-fonone erano troppo elevate e rende l’amplificazione locale della deformazione più determinante per ottenere nuovamente un accoppiamento forte.
«Questo ci permette di rafforzare simultaneamente l’accoppiamento SiV-meccanico e la coerenza meccanica, e di fornire un valore della sensibilità degli SiV alla deformazione con una precisione notevolmente superiore a quella dei valori precedentemente riportati in letteratura.»
Guanhao Huang, Amberly Xie, Chang Jin, Evelyn Hu e Marko Lončar, «Dissipation dilution enhances SiV coupling to vdW diamond nanomechanics»
L’interfaccia di spin è ancora una proposta
La cooperatività orbitale misurata, il rapporto che descrive l’accoppiamento coerente rispetto alle perdite, raggiunge circa 100, un miglioramento di circa mille volte rispetto al termine di confronto descritto nello studio. Ma a 4 kelvin gli autori calcolano una cooperatività quantistica orbitale di appena circa 10−3, perché l’occupazione termica del modo meccanico a MHz sovrasta quell’interazione. L’esperimento quindi non realizza un’interfaccia spin-fonone quantisticamente coerente.
Lo studio modella invece una diversa geometria del punto di ancoraggio, che separa la deformazione statica da quella dinamica concentrata vicino al supporto. Per questa configurazione, gli autori stimano un accoppiamento spin-fonone di circa 1,5 kilohertz e una cooperatività quantistica di circa 3 × 105 in condizioni specificate, tra cui il funzionamento a 100 millikelvin. Si tratta di proiezioni, non di misurazioni effettuate sul dispositivo presentato.
I ricercatori segnalano anche una questione relativa al materiale per il funzionamento a temperature più basse: se il diamante con SiV impiantati possa conservare i fattori di qualità meccanica molto elevati precedentemente dimostrati nel materiale intatto a temperature dell’ordine dei millikelvin. Per ora, il progresso misurato è più circoscritto e concreto: una trave di diamante sottoposta a tensione mantiene un’elevata qualità meccanica e presenta il suo più forte accoppiamento SiV misurato nel punto di ancoraggio.