Fysiker vid Aalto-universitetets laboratorium för låga temperaturer 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 miniatyriserad 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 hårstrå, till en låg temperatur nära den absoluta nollpunkten vid -273 grader. Under sådana extrema förhållanden följer till och med nästan makroskopiska objekt kvantfysikens lagar, som ofta strider mot sunt förnuft. I experimenten i lågtemperaturlaboratoriet oscillerade de nästan en miljard atomer som utgör den nanomekaniska resonatorn i takt i sitt gemensamma kvanttillstånd.
Forskarna hade tillverkat enheten 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 på samma frekvens. I stället för att musikern spelade på gitarrsträngen kom en mikrovågslaser från energikällan.
Mikrovågor förstärks genom interaktion mellan kvantsvängningar
Forskare vid lågtemperaturlaboratoriet vid Aalto-universitetet har visat hur man kan detektera och förstärka elektromagnetiska signaler nästan ljudlöst med hjälp av en gitarrsträng som liknar mekanisk vibrerande tråd. I idealfallet tillför metoden bara den minsta mängd brus som kvantmekaniken kräver.
De halvledartransistorförstärkare som för närvarande används är komplicerade och bullriga enheter och arbetar långt bort från en grundläggande störningsgräns som kvantfysiken sätter. Forskarna vid Low Temperature Laboratory visade att genom att dra nytta av den kvantresonanta rörelsen kan injicerad mikrovågsstrålning förstärkas med liten störning. Principen gör det alltså möjligt att upptäcka mycket svagare signaler än vanligt.
Alla mätmetoder eller anordningar medför alltid en viss störning. I idealfallet beror allt brus på vakuumfluktuationer som förutspås av kvantmekaniken. I teorin når vår princip denna grundläggande gräns. I experimentet kom vi väldigt nära den här gränsen, säger Dr. Francesco Massel.
Upptäckten var faktiskt ganska oväntad. Vi siktade på att kyla ner den nanomekaniska resonatorn till dess kvantmekaniska grundtillstånd. Avkylningen bör visa sig som en försvagning av en sondsignal, vilket vi observerade. Men när vi ändrade frekvensen på mikrovågslasern en aning såg vi att sondsignalen förstärktes enormt. Vi hade skapat en nästan kvantbegränsad
Waveguide Komponenter, säger akademiforskare Mika Sillanpää som planerade projektet och gjorde mätningarna.
Vissa verkliga tillämpningar kommer att dra nytta av en bättre förstärkare baserad på den nya Aalto-metoden, men för att nå detta stadium krävs mer forskningsarbete. Med största sannolikhet kommer den mekaniska mikrovågsförstärkaren först att användas i relaterad grundforskning, vilket ytterligare kommer att utöka vår kunskap om gränslinjen mellan vardagsvärlden och kvantriket.
Enligt akademiforskare Tero Heikkilä ligger förstärkarens skönhet i dess enkelhet: den består av två kopplade oscillatorer. Därför kan samma metod realiseras i princip alla medier. Genom att använda en annan struktur i kaviteten skulle man kunna detektera terahertzstrålning, vilket också skulle vara en viktig tillämpning.
Forskningen genomfördes i lågtemperaturlaboratoriet, som hör till Aalto-universitetets högskola för teknikvetenskaper och är en del av Finlands Akademis spetsforskningsenhet för kvantfenomen och -apparater vid låga temperaturer. Apparaterna som användes vid mätningarna tillverkades av VTT Nanotechnologies och mikrosystem. Forskningen finansierades av Finlands Akademi, Europeiska forskningsrådet ERC och Europeiska unionen.
