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中國科大郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在納米機電系統(NEMS)方面取得新進展。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，創新性地引入第三個諧振器作為聲子腔模，成功地實現了非近鄰的模式耦合，通過簡單地調節腔模頻率可以實現非近鄰耦合強度從弱耦合到強耦合的連續變化。相關研究成果發表在2018年1月26日出版的《Nature Communications》上。
納米諧振器具有尺寸小、穩定性好、品質因子高等優點，是信息存儲和操控的優良載體。為了實現不同諧振模式之間的信息傳遞，需要先實現模式間的可控耦合。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行了深入研究。此前，郭國平教授研究組已經實現了近鄰諧振器之間的強耦合以及對諧振模式的相干操控，系列工作發表在國際權威雜誌《納米快報》 (Nano Lett.16, 5456 (2016)；Nano Lett.17, 915 (2017)) 上。然而，對於如何實現非近鄰的、可調的諧振模式耦合，國際上一直沒有很好的解決方案，也未見相關實驗報道。
針對這一難題，研究組設計和製備了三個串聯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行大範圍的調節，因此只要設定合適的電極電壓就可以實現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，證明了在該串聯結構中近鄰諧振器可以達到強耦合區間，這為進一步探索第一個和第三個諧振器之間的耦合創造了條件。經過實驗探索，研究組發現當把中間諧振器的共振頻率調到遠高於（或遠低於）兩端諧振器的共振頻率時，兩端諧振器之間不能發生模式劈裂，即二者耦合強度非常小；但是當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，兩端諧振器逐漸產生模式劈裂，且劈裂值逐漸增大。
該過程類似於光學領域中的拉曼過程，這裡中間諧振器等效於一個聲子腔模，兩端諧振器通過與該腔模交換虛聲子從而產生等效耦合（見下圖）。通過光學拉曼過程的理論可以知道通過虛光子交換產生的等效耦合強度會隨著失諧量的增大而減小，該理論預期與研究組在聲子耦合實驗中發現的結果相似。因此研究組參照光學拉曼過程推導出了該聲子耦合體系的拉曼耦合理論，並且發現實驗測量到的數據和該理論吻合得非常好。
該實驗是首次在納米諧振器體系中實現諧振模式的非近鄰耦合，對於納米機電諧振器領域的發展具有重要的推動意義，並且為將來在量子區間利用聲子模式進行信息的長程傳遞創造了條件。
文章共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士後羅剛和研究生張拙之。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和教育部的資助。部分樣品加工流程在中國科學技術大學微納研究與製造中心完成。
三個石墨烯諧振器串聯結構的耦合示意圖以及掃描電子顯微鏡圖。
附文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-02854-4
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