Les dispositifs qui permettent d'acheminer les signaux hyperfréquences sont des outils d'ingénierie essentiels. En particulier, isolateurs, qui laissent les signaux circuler dans un sens mais les bloquent dans l'autre, sont nécessaires pour protéger les équipements sensibles des dommages. Maintenant, des scientifiques de l'EPFL et de l'Université de Cambridge ont démontré un nouveau principe pour développer de tels outils en exploitant le mouvement de tambours microscopiques. L'étude est publiée dans Communication Nature .

Le travail a été réalisé par le laboratoire de Tobias Kippenberg à l'EPFL, avec le soutien théorique du groupe d'Andreas Nunnenkamp de l'Université de Cambridge. Tous les échantillons ont été fabriqués au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l'EPFL. Le dispositif présenté se compose de deux circuits hyperfréquences supraconducteurs résonnants reliés par un condensateur partagé. La membrane métallique supérieure de ce condensateur flotte librement et supporte les oscillations mécaniques, agissant comme un micro-tambour, seulement 30 microns de diamètre.

Les vibrations modifient les fréquences de résonance des circuits hyperfréquences et modulent les signaux. Inversement, le champ électrique des signaux exerce une force qui modifie le mouvement du tambour. Cette interaction bidirectionnelle permet la conversion de signaux d'un circuit hyperfréquence à l'autre; le signal entrant est d'abord converti en un mouvement vibrant, puis le mouvement lui-même est converti en un deuxième signal émergeant de l'autre circuit.

Dans l'expérience, deux modes différents d'oscillation du mouvement du micro-tambour sont utilisés. Ceux-ci représentent deux chemins pour les signaux hyperfréquence à convertir d'un circuit à l'autre, entraînant des interférences, lequel, étonnamment, n'est pas symétrique dans les deux sens de la conversion du signal.

Le système peut être réglé de manière à ce que des interférences positives se produisent dans une direction, tandis qu'une interférence destructive se produit dans l'autre. Celui-ci réalise un isolateur hyperfréquence qui permet aux signaux de se propager uniquement dans une direction choisie, et les paramètres peuvent être modifiés à la volée, permettant une utilisation dynamiquement reconfigurable de l'isolateur, changeant instantanément de direction.

Alors que les isolateurs à micro-ondes commerciaux sont courants, ils reposent généralement sur des matériaux de ferrite magnétique et des champs magnétiques puissants. Cela les rend peu pratiques à utiliser avec des qubits supraconducteurs, qui deviennent les principaux candidats à utiliser comme blocs de construction pour un ordinateur quantique. Mais la durée de vie des états quantiques fragiles des qubits est facilement perturbée par les champs magnétiques, ce qui signifie que les isolateurs en ferrite doivent être fortement blindés pour éviter les fuites de champ magnétique qui peuvent limiter leur utilisation. Pour cette raison, il y a eu récemment une activité de recherche substantielle pour développer des technologies alternatives. L'isolateur optomécanique créé à l'EPFL rejoint d'autres prototypes, tels que ceux utilisant des jonctions Josephson, qui pourraient former une nouvelle plate-forme pour construire de tels dispositifs à l'avenir.