Физики из Лаборатории низких температур Университета Аалто показали, как наномеханический осциллятор может использоваться для обнаружения и усиления слабых радиоволн или микроволн.

Измерение с помощью такого крошечного устройства, похожего на миниатюрную гитарную струну, можно выполнить с минимальными возмущениями. Результаты недавно были опубликованы в самой престижной научной сфере — британском журнале Nature.

Исследователи охладили наномеханический осциллятор, в тысячу раз тоньше человеческого волоса, до низкой температуры около абсолютного нуля при -273 градусах Цельсия. В таких экстремальных условиях даже почти макроскопические объекты подчиняются законам квантовой физики, которые часто противоречат здравому смыслу. В экспериментах Лаборатории низких температур почти миллиард атомов, составляющих наномеханический резонатор, колебались в своей общей квантовой форме.

Учёные изготовили устройство в контакте с сверхпроводящим резонатором полости, который обменивается энергией с наномеханическим резонатором. Это позволяло усиливать их резонансное движение. Это очень похоже на то, что происходит на гитаре, где струна и эхо-камера резонируют на одной и той же частоте. Вместо того чтобы музыкант играл на гитарной струне, источник энергии обеспечивался микроволновым лазером.

Микроволны усиливаются за счёт взаимодействия квантовых колебаний
Исследователи из Лаборатории низких температур Университета Аалто показали, как почти бесшумно обнаруживать и усиливать электромагнитные сигналы с помощью механической вибрирующей проволоки, похожей на гитарные струны. В идеальном случае метод добавляет только минимальное количество шума, необходимое квантовой механике.

Используемые в настоящее время полупроводниковые транзисторные усилители — это сложные и шумные устройства, которые работают далеко от фундаментального предела возмущений, установленного квантовой физикой. Учёные из Лаборатории низких температур показали, что, используя квантово-резонансное движение, введённое микроволновое излучение можно усилить с минимальными нарушениями. Таким образом, этот принцип позволяет обнаруживать гораздо более слабые сигналы, чем обычно.

Любой метод измерения или устройство всегда добавляет какое-то возмущение. В идеале весь шум связан с флуктуациями вакуума, предсказанными квантовой механикой. Теоретически наш принцип достигает этого фундаментального предела. В эксперименте мы были очень близки к этому пределу, говорит доктор Франческо Массель.
Открытие оказалось довольно неожиданным. Мы стремились охладить наномеханический резонатор до его квантового основного состояния. Охлаждение должно проявляться как ослабление зондирующего сигнала, что мы и наблюдали. Но когда мы немного изменили частоту микроволнового лазера, мы увидели, что сигнал зонда значительно усиливается. Мы создали почти квантовый лимитКомпоненты волновода— говорит научный сотрудник Академии Мика Силланпя, которая планировала проект и проводила измерения.
Некоторые реальные применения получат выгоду от лучшего усилителя, основанного на новом методе Аалто, но для достижения этого этапа требуется больше исследовательских усилий. Скорее всего, механический микроволновый усилитель сначала будет применён в соответствующих фундаментальных исследованиях, что ещё больше расширит наши знания о границе между повседневным миром и квантовой сферой.

По словам научного сотрудника Академии Теро Хейккиля, красота усилителя заключается в его простоте: он состоит из двух связанных осцилляторов. Таким образом, тот же метод можно реализовать практически в любой среде. Используя другую структуру резонатора, можно было обнаружить терагерцовое излучение, что также было бы важным применением.

Исследования проводились в Лаборатории низких температур, которая принадлежит Школе наук Университета Аалто и является частью Центра передового опыта по квантовым явлениям и приборам низкотемпературных Академии Финской академии. Устройства, использованные для измерений, были изготовлены компанией VTT Nanotechnologies и микросистемами. Исследование финансировалось Финской академией, Европейским исследовательским советом (ERC) и Европейским союзом.