Envejsspor til mikrobølger baseret på mekanisk interferens

Enheder, der gør det muligt at dirigere mikrobølgesignaler, er vigtige tekniske værktøjer. I særdeleshed, isolatorer, som lader signaler flyde i den ene retning, men blokerer dem i den anden, er nødvendige for at beskytte følsomt udstyr mod skade. Nu, forskere ved EPFL og University of Cambridge har demonstreret et nyt princip for udvikling af sådanne værktøjer ved at udnytte bevægelsen af ​​mikroskopiske trommer. Undersøgelsen er publiceret i Naturkommunikation .

Arbejdet blev udført af Tobias Kippenbergs laboratorium ved EPFL, med teoretisk støtte fra gruppen af ​​Andreas Nunnenkamp fra University of Cambridge. Alle prøver blev fremstillet i Center of MicroNanoTechnology (CMi) ved EPFL. Den demonstrerede enhed består af to resonans superledende mikrobølgekredsløb, der er forbundet via en delt kondensator. Den øverste metalliske membran på denne kondensator flyder frit og understøtter mekaniske svingninger, fungerer som en mikrotromme, kun 30 mikrometer i diameter.

Vibrationerne modificerer mikrobølgekredsløbenes resonansfrekvenser og modulerer signalerne. Omvendt det elektriske felt af signaler udøver en kraft, der ændrer tromlens bevægelse. Denne tovejsinteraktion muliggør konvertering af signaler fra det ene mikrobølgekredsløb til det andet; det indkommende signal konverteres først til en vibrerende bevægelse, og så konverteres selve bevægelsen til et andet signal, der kommer fra det andet kredsløb.

I forsøget to forskellige oscillationsmåder af mikrotromlens bevægelse anvendes. Disse repræsenterer to veje for mikrobølgesignalerne, der skal konverteres fra det ene kredsløb til det andet, resulterer i interferens, hvilken, overraskende, er ikke symmetrisk i nogen retning af signalkonvertering.

Systemet kan indstilles på en sådan måde, at positiv interferens opstår i én retning, mens destruktiv interferens opstår i den anden. Dette realiserer en mikrobølgeisolator, der lader signaler kun forplante sig i en valgt retning, og parametrene kan ændres med det samme, tillader dynamisk rekonfigurerbar brug af isolatoren, skifter retning øjeblikkeligt.

Mens kommercielle mikrobølgeisolatorer er almindelige, de er typisk afhængige af magnetiske ferritmaterialer og stærke magnetiske felter. Dette gør dem upraktiske at bruge med superledende qubits, som er ved at blive de førende kandidater til at bruge som byggesten til en kvantecomputer. Men levetiden for de skrøbelige kvantetilstande af qubitterne forstyrres let af magnetiske felter, hvilket betyder, at ferritisolatorerne skal være kraftigt afskærmede for at forhindre magnetfeltlækage, der kan begrænse deres anvendelse. Af denne grund, der har for nylig været betydelig forskningsaktivitet for at udvikle alternative teknologier. Den optomekaniske isolator, der blev oprettet hos EPFL, slutter sig til andre prototyper - såsom dem, der bruger Josephson junctions - der kan danne en ny platform til at bygge sådanne enheder i fremtiden.