Fysiker vid Low Temperature Laboratory vid Aalto-universitetet har visat hur en nanomekanisk oscillator kan användas för att detektera och förstärka svaga radiovågor eller mikrovågor.
En mätning med en så liten enhet, som liknar en miniaturiserad gitarrsträng, kan utföras med minsta möjliga störning. Resultaten publicerades nyligen i den mest prestigefyllda vetenskapliga arenan, den brittiska tidskriften Nature.
Forskarna kylde ner den nanomekaniska oscillatorn, tusen gånger tunnare än ett mänskligt hår, till en låg temperatur nära det absoluta nollpunkten vid -273 grader Celsius. Under sådana extrema förhållanden följer även nästan makroskopiska objekt kvantfysikens lagar, vilka ofta strider mot sunt förnuft. I Low Temperature Laboratory-experimenten svängde de nästan miljarder atomer som utgör den nanomekaniska resonatorn i takt i sitt gemensamma kvanttillstånd.
Forskarna hade tillverkat apparaten i kontakt med en supraledande kavitetsresonator, som utbyter energi med den nanomekaniska resonatorn. Detta möjliggjorde förstärkning av deras resonansrörelse. Detta är mycket likt vad som händer i en gitarr, där strängen och ekokammaren resonerar vid samma frekvens. Istället för att musikern spelade på gitarrsträngen, tillhandahölls energikällan av en mikrovågslaser.
Mikrovågor förstärks av interaktionen mellan kvantoscillationer
Forskare från Low Temperature Laboratory, Aalto University, har visat hur man nästan ljudfritt kan upptäcka och förstärka elektromagnetiska signaler med hjälp av en gitarrsträngliknande mekanisk vibrerande tråd. I det ideala fallet lägger metoden bara till den minsta mängd brus som krävs av kvantmekaniken.
De numera använda halvledartransistorförstärkarna är komplicerade och brusiga enheter, och fungerar långt ifrån en grundläggande störningsgräns som kvantfysiken sätter dem. Forskarna vid Low Temperature Laboratory visade att genom att dra nytta av den kvantmekaniska resonansrörelsen kan injicerad mikrovågsstrålning förstärkas med minimal störning. Principen möjliggör därför att man kan upptäcka mycket svagare signaler än vanligt.
Alla mätmetoder eller enheter lägger alltid till någon störning. Idealiskt sett beror allt brus på vakuumfluktuationer som förutsägs av kvantmekaniken. I teorin når vår princip denna grundläggande gräns. I experimentet kom vi mycket nära denna gräns, säger Dr. Francesco Massel.
Upptäckten var faktiskt ganska oväntad. Vi siktade på att kyla ner den nanomekaniska resonatorn till dess kvantmekaniska grundtillstånd. Kylningen bör visa sig som en försvagning av en undersökande signal, vilket vi observerade. Men när vi ändrade frekvensen på mikrovågslasern något såg vi att sondsignalen förstärktes enormt. Vi hade skapat en nästan kvantbegränsad
Vågledarkomponenter, säger akademins forskare Mika Sillanpää som planerade projektet och gjorde mätningarna.
Vissa verkliga tillämpningar kommer att gynnas av den bättre förstärkaren baserad på den nya Aalto-metoden, men att nå detta stadium kräver mer forskningsinsats. Troligen kommer den mekaniska mikrovågsförstärkaren först att användas i relaterad grundforskning, vilket ytterligare kommer att utöka vår kunskap om gränsen mellan vardagsvärlden och kvantvärlden.
Enligt akademins forskare Tero Heikkilä ligger förstärkarens skönhet i dess enkelhet: den består av två kopplade oscillatorer. Därför kan samma metod realiseras i princip vilket medium som helst. Genom att använda en annan struktur i kaviteten kunde man upptäcka terahertzstrålning, vilket också skulle vara en stor tillämpning.
Forskningen bedrevs i Lågtemperaturlaboratoriet, som tillhör Aaltouniversitetets naturvetenskapliga fakultet och ingår i Centrum för excellens inom lågtemperaturkvantfenomen och -enheter vid Finlands akademi. Enheterna som användes i mätningarna tillverkades av VTT Nanotechnologies och mikrosystem. Forskningen finansierades av Finska akademien, Europeiska forskningsrådet (ERC) och Europeiska unionen.
