Piezoelectric resonators in the quantum regime

Thumbnail Image

Files

isbn9789526408309.pdf (18.8 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2022-06-10
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2022

Department

Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

96 + app. 52

Series

Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 81/2022

Abstract

Acoustic modes—in the form of collective vibrations trapped between the parallel and polished surfaces of a crystalline cavity—provide an intriguing opportunity for probing the quantum-mechanical regime of macroscopical mechanical resonators. Moreover, the exceptional quality factors in a compact size from mm to μm motivate the integration of acoustic resonators into quantum circuits to explore the applications of a quantum hybrid system.While the acoustic modes of a crystal are commonly isolated from electrical dynamics, piezoelectricityis employed to transduce energy between the two domains. In the first part of this thesis, we investigate the means to improve the quality factor of a low frequency plano-convex monolithic quartz resonator. The resonator is 7mm indiameter and 250 μm in thickness, made only of only piezoelectric crystalline material. By the removal of clamping losses and incorporating a distant non-contact measurement setup,we demonstrate quality factors as high as 108 at cryogenic temperatures close to the quantumground state. Additionally, we model the electromechanical clamping losses of a particular grounding setup using temperature-dependent data and the acoustic transmission line based Mason’s model. In the latter part of this thesis, we couple a bulk acoustic high-overtone resonator (HBAR) with a transmon qubit. The electrical actuation of GHz-frequency sound in a HBAR is based on a μm-thin piezo film grown on a low-loss crystalline non-piezo bulk substrate. With an analogy to an acoustic musical instrument, the driven oscillations are amplified at the resonant frequencies of the acoustic cavity, with the addition that a small subset of such modes are selectively listened by the qubit. By the introduction of the acoustic overtones, high quality factors are accessible at the high frequencies of a transmon qubit,while the coupling between the two systems is distributed over the multitude of modes. I model this coupling in detail with respect to the system parameters for guiding the design of related quantum acoustic devices. I cover several different parameter regimes and explore the rich physics taking place in the multimodal hybrid system: Landau-Zener Stuckelberg interference, photon assisted sideband transitions and parametrically modulated coupling that involve the resonant periodical exchange of energy quanta known as vacuum Rabi oscillations, and drive-dependent multiphonon transitions. Despite the otherwise common difficulty to observe quantum mechanics in a harmonic oscillator, we observe purely quantum mechanical effects in the macroscopic resonator, such as a specific square root dependence of the transition energies on the quantum number.

Akustiset värähtelytilat ovat kiehtovia järjestelmiä makroskooppisten mekaanisten värähtelijöiden kvanttialueen tutkimiseen. Nämä kollektiiviset värähtelyt tapahtuvat kidemateriaalin yhdensuuntaisten ja kiillotettujen pintojen välissä. Akustisten värähtelijöiden yhdistäminen kvanttipiireihin ja kvanttiakustisten hybridisysteemien tutkimus näyttävät erittäin lupaavalta,sillä tiloilla on poikkeuksellisen hyvät laatutekijät pienessä koossa mm:stä μm:iin.Akustiset värätelymoodit ovat tavallisesti riippumattomia sähköisestä dynamiikasta, joten käytämme pietsosähköisiä materiaaleja akustisten ja sähköisten värähtelyiden vuorovaikutuksen luomiseen. Väitöskirjan ensimmäisessä osassa tutkimme keinoja parantaa matalataajuisen planokonveksisenmonoliittisen kvartsivärähtelijän laatutekijää Halkaisijaltaan 7mm ja 250 μm paksu värähtelijä koostuu yksikiteisestä pietsosähköisestä aineesta. Poistamalla kiinnityshäviöt ja käyttämällä kosketuksetonta etämittausta, saavutamme erittäin suuren laatutekijän 108 kryogeenisissä lämpötiloissa lähellä kvanttimekaanista perustilaa. Mittaustulosten lämpötilariippuvuudenja siirtolinjateoriaan perustuvan Masonin mallin avulla mallinnamme lisäksi sähkömekaanisia kiinnityshäviömekanismeja erityisessä maadoitusasetelmassa. Väitöskirjan jälkimmäisessä osassa kytkemme ylivärähtelyresonaattorin (HBAR) suprajohtavan transmon-kvanttibitin kanssa. Gigahertsitaajuisen äänivärähtelyn sähköinen aktivointija kytkentä HBAR:ssa perustuu mikrometrin paksuiseen pietsosähköiseen kerrokseen,joka on kasvatettu vähähäviöisen kidemateriaalin päälle. Resonanssitaajuuksilla ajetut värähtelyt voimistuvat akustisessa kaviteetissa, aivan kuin akustisessa instrumentissa sillä lisäyksellä, että näistä värähtelytiloista pientä osajoukkoa kuunnellaan kvanttibitin avulla. Korkeat laatutekijät ovat mahdollisia transmon-kvanttibitin korkeilla taajuuksilla yliäänitilojenmyötä. Toisaalta, kytkennän voimakkuus järjestelmien välillä jakautuu lukuisten värähtelytilojen kesken. Mallinnan tätä kytkentää yksityiskohtaisesti järjestelmäparametrien suhteen,minkä perusteella vastaavien kvanttiakustisten laitteiden suunnittelua voidaan ohjata. Katan työssä eri parametrialueita, sekä tutkin usean värähtelytilan hybridijärjestelmän monipuolista fysiikkaa, kuten Landau-Zener Stuckelberg -interferenssiä, fotoniavusteisia sivukaistasiirtymiä ja parametrisesti moduloitua kytkentää. Jälkimmäiseen sisältyy jaksollinen energiakvanttien vaihto, joka tunnetaan tyhjiöoskillaatioina, sekä ajosta riippuvaiset usean fotonin siirtymät. Vaikka kvanttimekaanisten ilmiöiden havaitseminen harmonisessa värähtelijässä on yleisesti ottaen vaikeaa, havaitsemme makroskooppisessa värähtelijässä puhtaasti kvanttimekaanisia ilmiöitä, kuten siirtymäenergioiden skaalatuminen kvanttiluvun neliöjuuressa.

Description

Supervising professor

Sillanpää, Mika A., Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Thesis advisor

Sillanpää, Mika A., Prof., Aalto University, Finland

Keywords

quantum acoustics, piezoelectric resonators, superconducting qubit, kvanttiakustiikka, piezosähköinen värähtelijä, suprajohtava kvanttibitti

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Alpo Välimaa, Jorge Santos, Caspar Ockeloen-Korppi and Mika A. Sillanpää. Electrode configuration and electrical dissipation of mechanical energy in quartz crystal resonators. Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 28, p. 095014, Mar 2018.
    DOI: 10.1088/1361-6439/aac781 View at publisher
  • [Publication 2]: Mikael Kervinen, Jhon Ramírez-Muñoz, Alpo Välimaa and Mika A. Sillanpää. Landau-Zener-Stückelberg Interference in a MultimodeElectromechanical System in the Quantum Regime. Physical Review Letters, vol. 123, p. 240401, Dec 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202001021162
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.240401 View at publisher
  • [Publication 3]: Mikael Kervinen, Alpo Välimaa, Jhon Ramírez-Muñoz and Mika A. Sillanpää. Sideband control of a multimode quantum bulk acoustic system. Physical Review Applied, vol. 14, p. 054023, Nov 2020.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020113020566
    DOI: 10.1103/PhysRevApplied.14.054023 View at publisher
  • [Publication 4]: Alpo Välimaa, Wayne Crump, Mikael Kervinen and Mika A. Sillanpää. Multiphonon transitions in a quantum electromechanical system. Accepted for publication in Physical Review Applied, Apr 2022

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-0830-9

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI