Квантовый осциллятор на базе электромеханического резонатора

Квантовый и традиционный «миры» не разбиты неодолимой пропастью — должен существовать постепенный переход от 1-го к другому. Исследование перехода от традиционной системы к квантовой завлекает огромное внимание учёных. Если иметь дело с механическим осциллятором, то, понижая его размеры, вправе ждать, что при определённых критериях должен произойти переход от традиционного поведения к квантовому: из-за дискретности энергетического диапазона амплитуда колебаний осциллятора сумеет принимать только определённые значения, что совсем не типично для традиционного механического осциллятора.

Но в действительности следить переход от традиционного поведения к квантовому в случае довольно огромного объекта — задачка очень сложная: так как состояние квантовой системы просто может быть разрушено в процессе взаимодействия с окружением, воплотить схожую микроскопичную систему, которая показывала бы квантовые характеристики, очень трудно. В случае механического осциллятора довольно уже того, чтоб энергетический зазор меж уровнями энергии гармонического осциллятора был значительно меньше соответствующей термический энергии, чтоб поставить крест на способности следить квантовое поведение осциллятора. Соответственно, чтоб это стало вероятным, кроме малых размеров необходимы, как минимум, очень низкие температуры и довольно высочайшие собственные частоты колебаний.

При частоте колебаний механического осциллятора (к примеру, узкого кремниевого бруска) порядка 1 ГГц требуются температуры порядка 50 мК, чтоб можно было ждать перехода к квантовому режиму колебаний (). Но, чтоб собственная частота колебаний стала настолько велика, все размеры механического осциллятора должны быть в субмикронном спектре, что значительно затрудняет возможность регистрации смещения бруска из положения равновесия.

, , . (9.1)

К примеру. Вибратор в виде цепочки из 100 атомов (10нм), совершающий продольные колебания на частоте 2,5 ТГц, проявит квантовые характеристики при температуре 50К. Вибратор в виде бруска длиной в 1 мкм=1000нм, совершающий продольные колебания на частоте 25 ГГц, проявит квантовые характеристики при температуре ниже 0,5К.

Вибратор в виде бруска длиной в 1мм, совершающий продольные колебания на частоте 25 МГц, проявит квантовые характеристики при температуре ниже 0,0005К. При разработке резонаторов, способных проявлять квантовые характеристики, необходимо делать последующие требования: снижать температуру, уменьшать геометрические размеры, увеличивать рабочую частоту, использовать колебания на обертонах, обеспечивать акустическую развязку вибратора с элементами конструкции.

Чтоб преодолеть эти затруднения, учёные из Бостонского института сделали микроскопичный механический осциллятор довольно хитрецкой формы. При помощи электрической литографии была сделана структура, напоминающая по форме антенну либо двухстороннюю расчёску: длина фактически кремниевого бруска — 10.7 мкм, ширина — 400 нм; для «зубчиков» длина и ширина составляют 500 нм и 200 нм, соответственно; общая толщина структуры 245 нм: 185 нм — толщина кремния, 60 нм — толщина напылённого на кремний золотого электрода.

Рис. 9.2 Изображение механического наноосциллятора, приобретенное при помощи сканирующей электрической микроскопии (а), схематическое изображение низкочастотных колебаний осциллятора (b)и коллективной моды колебаний на больших частотах(с).

Схожая форма осциллятора приводит к возникновению 2-ух типов колебательных мод: низкочастотных, соответственных колебанию конструкции как целого (рис. 9.2b), и коллективных высокочастотных, когда колебания «зубчиков» (для которых собственная частота превосходит 1 ГГц) в фазе вызывают колебания всей конструкции как целого (рис. 9.2c). Конструкцию помещали вовнутрь криостата со сверхпроводящим магнитом на 16 Тл, а колебания возбуждали, пропуская переменный ток через золотой электрод, в итоге чего на структуру действовала сила Лоренца. Измеряя падение напряжения на золотом электроде, которое в таких критериях пропорционально смещению структуры, исследователи могли смотреть за колебаниями механического осциллятора. Когда частота вынуждающей силы совпадает с одной из собственных частот колебаний системы, обязан иметь место резонанс, т.е. амплитуда колебаний осциллятора должна возрастать, что можно зафиксировать по изменению наибольшего напряжения.

Рис. 9.3 Зависимость наибольшего напряжения (соответственно, амплитуды колебаний) от частоты вынуждающей силы поблизости резонанса (а) и от напряженности магнитного поля (б) при температуре — 1 К.

При работе в низкочастотной области (21 МГц) при температуре 60 мК исследователи лицезрели чисто традиционную картину — амплитуда колебаний осциллятора равномерно увеличивалась по мере того, как росло магнитное поле (и, соответственно, увеличивалась сила, действующая на структуру). Такую же картину учёные следили и при работе на частоте, совпадающей с своей частотой частотной коллективной моды (около 1,5 ГГц) при температуре 1 К (рис. 9.3). Но, при снижении температуры до 110 мК (при таковой температуре kT становится сравнимой с энергией кванта и можно ждать проявления квантового нрава колебаний) исследователи следили отменно иную картину: непрерывного конфигурации амплитуды колебаний при изменении поля не происходило! Заместо этого происходили скачки напряжения меж 2-мя определёнными значениями при изменении магнитного поля — рис. 9.4. Подобные скачки можно интерпретировать как переходы квантового осциллятора меж главным и первым возбуждённым состоянием.

Рис. 9.4 Зависимость наибольшего напряжения (соответственно, амплитуды колебаний) от частоты вынуждающей силы поблизости резонанса (а) и от напряженности магнитного поля (б) при температуре — 110 мК.

Хотя учёные проявляют осторожность, подчёркивая, что пока ещё рано совершенно точно интерпретировать результаты тестов как проявление квантового поведения макроскопического механического осциллятора («расчёска» состоит приблизительно из 50 млрд атомов кремния), все же, не исключено, что им вправду удалось прикоснуться к грани, разделяющей квантовый и традиционный миры. В рассмотренном опыте, может быть в первый раз, удалось следить квантовое поведение механического осциллятора микронных размеров.

Можно ждать, что применение достижений нанотехнологий в измерительной технике, а именно, при разработке первичных измерительных преобразователей на базе сверхминиатюрных, сверхвысокочастотных электромеханических резонаторов позволит совершить высококачественный скачок в приборостроении. К примеру, устройства такового типа будут характеризоваться сверхвысокой чувствительностью, не достижимой современными измерительными средствами. Но создание датчиков последнего поколения с внедрением квантовых осцилляторов востребует разработки теоретических основ их построения, технологии производства, внедрения специальной электроники и т.п.