Dispositivos que permitem o roteamento de sinais de microondas são ferramentas essenciais de engenharia. Em particular, isoladores, que permite que os sinais fluam em uma direção, mas os bloqueiam na outra, são necessários para proteger equipamentos sensíveis de danos. Agora, cientistas da EPFL e da Universidade de Cambridge demonstraram um novo princípio para o desenvolvimento de tais ferramentas, aproveitando o movimento de tambores microscópicos. O estudo é publicado em Nature Communications .

O trabalho foi realizado pelo laboratório de Tobias Kippenberg da EPFL, com apoio teórico do grupo de Andreas Nunnenkamp da Universidade de Cambridge. Todas as amostras foram fabricadas no Centro de MicroNanoTecnologia (CMi) da EPFL. O dispositivo demonstrado consiste em dois circuitos de micro-ondas supercondutores ressonantes que estão ligados por meio de um capacitor compartilhado. A membrana metálica superior deste capacitor flutua livremente e suporta oscilações mecânicas, agindo como um micro-tambor, apenas 30 mícrons de diâmetro.

As vibrações modificam as frequências de ressonância dos circuitos de microondas e modulam os sinais. Por outro lado, o campo elétrico dos sinais exerce uma força que altera o movimento do tambor. Essa interação bidirecional permite a conversão de sinais de um circuito de micro-ondas para o outro; o sinal de entrada é primeiro convertido em um movimento vibratório, e então o próprio movimento é convertido em um segundo sinal emergindo do outro circuito.

No experimento, dois modos diferentes de oscilação do movimento do micro-tambor são usados. Estes representam dois caminhos para os sinais de microondas serem convertidos de um circuito para o outro, resultando em interferência, que, surpreendentemente, não é simétrico em nenhuma direção da conversão do sinal.

O sistema pode ser sintonizado de forma que ocorra interferência positiva em uma direção, enquanto a interferência destrutiva ocorre no outro. Isso cria um isolador de micro-ondas que permite que os sinais se propaguem apenas em uma direção escolhida, e os parâmetros podem ser modificados em tempo real, permitindo o uso dinamicamente reconfigurável do isolador, mudando instantaneamente sua direção.

Embora isoladores de microondas comerciais sejam comuns, eles normalmente dependem de materiais de ferrite magnética e campos magnéticos fortes. Isso os torna impraticáveis ​​para uso com qubits supercondutores, que estão se tornando os principais candidatos a serem usados ​​como blocos de construção para um computador quântico. Mas o tempo de vida dos frágeis estados quânticos dos qubits é facilmente perturbado por campos magnéticos, o que significa que os isoladores de ferrite devem ser fortemente blindados para evitar o vazamento do campo magnético que pode limitar seu uso. Por esta razão, tem havido recentemente uma atividade substancial de pesquisa para desenvolver tecnologias alternativas. O isolador optomecânico criado na EPFL se junta a outros protótipos - como aqueles que usam junções Josephson - que podem formar uma nova plataforma para construir tais dispositivos no futuro.