Físicos del Laboratorio de Baja Temperatura de la Universidad de Aalto han demostrado cómo se puede utilizar un oscilador nanomecánico para la detección y amplificación de ondas de radio débiles o microondas.

Una medición con un dispositivo tan pequeño, que se asemeja a una cuerda de guitarra miniaturizada, se puede realizar con la menor perturbación posible. Los resultados se publicaron recientemente en el ámbito científico más prestigioso, la revista británica Nature.

Los investigadores enfriaron el oscilador nanomecánico, mil veces más delgado que un cabello humano, a una temperatura baja cercana al cero absoluto a -273 grados centígrados. En condiciones tan extremas, incluso los objetos de tamaño casi macroscópico siguen las leyes de la física cuántica que a menudo contradicen el sentido común. En los experimentos del Laboratorio de Baja Temperatura, los casi mil millones de átomos que componen el resonador nanomecánico oscilaban en ritmo en su estado cuántico compartido.

Los científicos habían fabricado el dispositivo en contacto con un resonador de cavidad superconductor, que intercambia energía con el resonador nanomecánico. Esto permitió la amplificación de su movimiento resonante. Esto es muy similar a lo que sucede en una guitarra, donde la cuerda y la cámara de eco resuenan a la misma frecuencia. En lugar de que el músico tocara la cuerda de la guitarra, la fuente de energía era proporcionada por un láser de microondas.

Las microondas se amplifican por la interacción de oscilaciones cuánticas
Investigadores del Laboratorio de Baja Temperatura de la Universidad Aalto han demostrado cómo detectar y amplificar señales electromagnéticas casi sin ruido utilizando una cuerda de guitarra como un cable vibratorio mecánico. En el caso ideal, el método agrega solo la cantidad mínima de ruido requerida por la mecánica cuántica.

Los amplificadores de transistores semiconductores utilizados actualmente son dispositivos complicados y ruidosos, y operan lejos de un límite de perturbación fundamental establecido por la física cuántica. Los científicos del Laboratorio de Baja Temperatura demostraron que al aprovechar el movimiento de resonancia cuántica, la radiación de microondas inyectada se puede amplificar con poca perturbación. Por lo tanto, el principio permite detectar señales mucho más débiles de lo habitual.

Cualquier método o dispositivo de medición siempre agrega alguna perturbación. Idealmente, todo el ruido se debe a las fluctuaciones del vacío predichas por la mecánica cuántica. En teoría, nuestro principio alcanza este límite fundamental. En el experimento, nos acercamos mucho a este límite, dice el Dr. Francesco Massel.
El descubrimiento fue en realidad bastante inesperado. Nuestro objetivo era enfriar el resonador nanomecánico hasta su estado fundamental cuántico. El enfriamiento debería manifestarse como un debilitamiento de una señal de sondeo, que observamos. Pero cuando cambiamos ligeramente la frecuencia del láser de microondas, vimos que la señal de sondeo se fortalecía enormemente. Habíamos creado un límite casi cuánticoComponentes de la guía de ondas, dice Mika Sillanpää, investigadora de la Academia, quien planificó el proyecto e hizo las mediciones.
Ciertas aplicaciones de la vida real se beneficiarán del mejor amplificador basado en el nuevo método Aalto, pero llegar a esta etapa requiere más esfuerzo de investigación. Lo más probable es que el amplificador mecánico de microondas se aplique por primera vez en la investigación básica relacionada, lo que ampliará aún más nuestro conocimiento de la frontera entre el mundo cotidiano y el reino cuántico.

Según el investigador de la Academia Tero Heikkilä, la belleza del amplificador está en su simplicidad: consta de dos osciladores acoplados. Por lo tanto, el mismo método se puede realizar básicamente en cualquier medio. Al usar una estructura diferente de la cavidad, se podría detectar la radiación de terahercios, que también sería una aplicación importante.

La investigación se llevó a cabo en el Laboratorio de Baja Temperatura, que pertenece a la Escuela de Ciencias de la Universidad Aalto, y forma parte del Centro de Excelencia en Fenómenos y Dispositivos Cuánticos de Baja Temperatura de la Academia Finlandesa. Los dispositivos utilizados en las mediciones fueron fabricados por VTT Nanotechnologies y microsistemas. La investigación fue financiada por la Academia Finlandesa, el Consejo Europeo de Investigación ERC y la Unión Europea.