聲子作為熱、電、光之間相互作用的重要媒介，在熱管理、材料科學(xué)和量子信息處理等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用?；诙鄼C械模式的光力學(xué)和電機械系統(tǒng)不僅在量子存儲、量子轉(zhuǎn)換方面具有重要應(yīng)用前景，更是研究量子糾纏、多模聲子激射和非互易光子(聲子)傳輸?shù)扔腥の锢憩F(xiàn)象的理想平臺。
對于典型的方形薄膜諧振器，在各項同性應(yīng)力下，相同模指數(shù)m和n的模式會出現(xiàn)簡并。盡管這些簡并模式共享相同的共振頻率，但其模形狀不同，這限制了能夠與同一腔模耦合的機械模式數(shù)量。此外，簡并機械模式自發(fā)形成的暗態(tài)也會阻礙基態(tài)冷卻以及宏觀壓縮態(tài)或糾纏態(tài)的制備。研究團隊發(fā)現(xiàn)，通過在薄膜中引入沿x軸和y軸的非對稱應(yīng)力可以破除機械模式的簡并狀態(tài)，這種應(yīng)力各向異性誘導(dǎo)的簡并破除模式具有相似的振動形狀和共振頻率，為構(gòu)建單個光模與多個機械模對耦合的多模系統(tǒng)提供了新思路。
考慮到非對稱應(yīng)力對機械振子振動模式的影響，研究團隊推導(dǎo)出薄膜在非對稱應(yīng)力下的共振頻率表達式。對57個機械模式進行集體擬合的結(jié)果顯示，不同方向的應(yīng)力差在亞MPa量級，該結(jié)果顯著優(yōu)于現(xiàn)有商業(yè)薄膜應(yīng)力分析儀器的性能。當(dāng)前，X射線衍射、拉曼光譜等傳統(tǒng)應(yīng)力分析方法的分辨率通常在數(shù)十MPa量級。該研究方法為薄膜材料非均勻應(yīng)力的高精度表征提供了一種新思路。
研究團隊進一步將該碳化硅薄膜振子與超導(dǎo)微波諧振腔集成，構(gòu)建了基于碳化硅薄膜振子的腔電機械系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)的實驗研究結(jié)果展示，在10mK低溫環(huán)境下機械模式的品質(zhì)因子高達108量級。通過艾倫偏差分析，機械諧振器的頻率穩(wěn)定性達到了6×10-10(積分時間3×104秒)。該結(jié)果為現(xiàn)有文獻所報道的，面外振動模式頻率穩(wěn)定性的最高水平。
基于機械模式的高品質(zhì)因子以及兩個機械模式與共享腔模之間強耦合等優(yōu)異性能，研究團隊利用受激拉曼絕熱通道(STIRAP)方案成功演示了近簡并機械模對之間的相干態(tài)交換實驗，實現(xiàn)了高于78%的態(tài)轉(zhuǎn)移效率。圖2展示了光力受激拉曼絕熱通道方案和態(tài)交換過程中模式聲子布居數(shù)隨時間的變化圖像。
該研究不僅為薄膜材料的應(yīng)力分析提供了新思路，也為發(fā)展基于多模聲子器件的量子網(wǎng)絡(luò)和量子模擬研究開辟了新途徑。審稿人對碳化硅薄膜振子頻率穩(wěn)定性以及提出的應(yīng)力測試表征新方案兩方面給予了高度認可。
該論文第一作者為量子院助理研究員孫換瑩、博士生陳炎霖以及高級工程師劉其春，通訊作者為量子院副研究員劉玉龍和量子院兼聘/清華大學(xué)副教授李鐵夫。論文合作者還包括量子院高級工程師吳海華和王宇清。該工作得到國家自然科學(xué)基金重大研究計劃、北京市自然科學(xué)基金重點項目、北京市國際港澳臺合作項目等的支持。
