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

Измерение с помощью такого крошечного устройства, напоминающего миниатюрную гитарную струну, может быть выполнено с наименьшими возможными помехами. Результаты были недавно опубликованы в самом престижном научном журнале Nature.

Исследователи охладили наномеханический осциллятор, в тысячу раз тоньше человеческого волоса, до низкой температуры, близкой к абсолютному нулю в -273 градуса по Цельсию. В таких экстремальных условиях даже объекты почти макроскопических размеров подчиняются законам квантовой физики, которые часто противоречат здравому смыслу. В экспериментах Лаборатории низких температур почти миллиард атомов, составляющих наномеханический резонатор, колебались в темпе в своем общем квантовом состоянии.

Ученые изготовили устройство в контакте со сверхпроводящим резонатором, который обменивается энергией с наномеханическим резонатором. Это позволило усилить их резонансное движение. Это очень похоже на то, что происходит в гитаре, где струна и эхо-камера резонируют на одной и той же частоте. Вместо того, чтобы музыкант играл на гитарной струне, источником энергии был микроволновый лазер.

Микроволны усиливаются за счет взаимодействия квантовых колебаний
Исследователи из Лаборатории низких температур Университета Аалто показали, как обнаруживать и усиливать электромагнитные сигналы почти бесшумно с помощью гитарной струны, похожей на механический вибрирующий провод. В идеальном случае метод добавляет только минимальное количество шума, требуемое квантовой механикой.

Используемые в настоящее время полупроводниковые транзисторные усилители являются сложными и шумными устройствами и работают далеко от фундаментального предела возмущений, установленного квантовой физикой. Ученые Лаборатории низких температур показали, что, используя квантовое резонансное движение, впрыскиваемое микроволновое излучение может быть усилено с небольшими помехами. Таким образом, этот принцип позволяет обнаруживать гораздо более слабые сигналы, чем обычно.

Любой метод измерения или прибор всегда добавляет некоторые помехи. В идеале весь шум возникает из-за флуктуаций вакуума, предсказанных квантовой механикой. В теории наш принцип достигает этого фундаментального предела. «В эксперименте мы очень близко подошли к этому пределу», — говорит доктор Франческо Массель.
Открытие на самом деле оказалось довольно неожиданным. Мы стремились охладить наномеханический резонатор до его квантового основного состояния. Охлаждение должно проявляться в виде ослабления зондирующего сигнала, что мы и наблюдали. Но когда мы немного изменили частоту микроволнового лазера, мы увидели, что зондирующий сигнал сильно усилился. Мы создали почти квантовый лимит Компоненты волновода, — говорит научный сотрудник Академии Мика Силланпяя, который планировал проект и проводил измерения.
Некоторые реальные приложения выиграют от использования более совершенного усилителя, основанного на новом методе Аалто, но достижение этой стадии требует больших исследовательских усилий. Скорее всего, механический микроволновый усилитель будет впервые применен в соответствующих фундаментальных исследованиях, что еще 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, один и тот же метод может быть реализован практически в любых средах. Используя другую структуру полости, можно было бы обнаружить терагерцовое излучение, которое также было бы важным применением.

Исследование проводилось в Лаборатории низких температур, которая принадлежит Школе наук Университета Аалто и является частью Центра передового опыта в области низкотемпературных квантовых явлений и устройств Финской академии. Приборы, использованные в измерениях, были изготовлены компанией VTT Nanotechnologies and Microsystems. Исследование финансировалось Финской академией, Европейским исследовательским советом ERC и Европейским союзом.