Aalto-yliopiston kylmälaboratorion fyysikot ovat osoittaneet, miten nanomekaanista oskillaattoria voidaan käyttää heikkojen radioaaltojen tai mikroaaltojen havaitsemiseen ja vahvistamiseen.
Mittaus käyttämällä niin pientä laitetta, joka muistuttaa pienikokoista kitaran kieltä, voidaan suorittaa mahdollisimman pienellä häiriöllä. Tulokset julkaistiin äskettäin arvostetuimmalla tieteellisellä areenalla, brittiläisessä Nature-lehdessä.
Tutkijat jäähdyttivät nanomekaanisen oskillaattorin, joka oli tuhat kertaa ohuempi kuin ihmisen hiukset, matalaan lämpötilaan lähellä absoluuttista nollapistettä -273 celsiusasteessa. Tällaisissa äärimmäisissä olosuhteissa jopa lähes makroskooppisen kokoiset kappaleet noudattavat kvanttifysiikan lakeja, jotka ovat usein ristiriidassa terveen järjen kanssa. Matalan lämpötilan laboratoriokokeissa nanomekaanisen resonaattorin muodostavat lähes miljardi atomia värähtelivät tahdissa yhteisessä kvanttitilassaan.
Tutkijat olivat valmistaneet laitteen kosketukseen suprajohtavan onteloresonaattorin kanssa, joka vaihtaa energiaa nanomekaanisen resonaattorin kanssa. Tämä mahdollisti niiden resonanssiliikkeen vahvistamisen. Tämä on hyvin samanlaista kuin mitä tapahtuu kitarassa, jossa kieli ja kaikukammio resonoivat samalla taajuudella. Sen sijaan, että muusikko olisi soittanut kitaran kieltä, energialähde saatiin mikroaaltolaserilla.
Mikroaallot vahvistuvat kvanttivärähtelyjen vuorovaikutuksessa
Aalto-yliopiston kylmälaboratorion tutkijat ovat osoittaneet, miten sähkömagneettisia signaaleja voidaan havaita ja vahvistaa lähes äänettömästi käyttämällä kitaran kieltä kuin mekaanista värähtelevää lankaa. Ihannetapauksessa menetelmä lisää vain kvanttimekaniikan vaatiman vähimmäismäärän kohinaa.
Tällä hetkellä käytössä olevat puolijohdetransistorivahvistimet ovat monimutkaisia ja meluisia laitteita, jotka toimivat kaukana kvanttifysiikan asettamasta perustavanlaatuisesta häiriörajasta. Low Temperature Laboratoryn tutkijat osoittivat, että hyödyntämällä kvanttiresonanssiliikettä injektoitu mikroaaltosäteily voidaan vahvistaa vähäisin häiriöin. Periaate mahdollistaa siten paljon heikompien signaalien havaitsemisen kuin tavallisesti.
Mikä tahansa mittausmenetelmä tai -laite lisää aina häiriötä. Ihannetapauksessa kaikki kohina johtuu kvanttimekaniikan ennustamista tyhjiövaihteluista. Teoriassa periaatteemme saavuttaa tämän perustavanlaatuisen rajan. Kokeessa pääsimme hyvin lähelle tätä rajaa, sanoo tohtori Francesco Massel.
Löytö oli itse asiassa melko odottamaton. Tavoitteenamme oli jäähdyttää nanomekaaninen resonaattori kvanttiperustilaan. Jäähdytyksen pitäisi ilmetä koetinsignaalin heikkenemisenä, jota havaitsimme. Mutta kun muutimme hieman mikroaaltolaserin taajuutta, näimme koetinsignaalin vahvistuvan valtavasti. Olimme luoneet lähes kvanttirajoituksen
aaltoputken komponentit, kertoo hankkeen suunnitellut ja mittaukset tehnyt akatemiatutkija Mika Sillanpää.
Tietyt tosielämän sovellukset hyötyvät uuteen Aalto-menetelmään perustuvasta paremmasta vahvistimesta, mutta tähän vaiheeseen pääseminen vaatii enemmän tutkimustyötä. Todennäköisesti mekaanista mikroaaltovahvistinta käytetään ensin siihen liittyvässä perustutkimuksessa, mikä laajentaa entisestään tietämystämme arkimaailman ja kvanttimaailman välisestä rajasta.
Akatemiatutkija Tero Heikkilän mukaan vahvistimen kauneus piilee sen yksinkertaisuudessa: se koostuu kahdesta kytketystä oskillaattorista. Siksi sama menetelmä voidaan toteuttaa periaatteessa missä tahansa mediassa. Käyttämällä ontelon erilaista rakennetta voitaisiin havaita terahertsisäteily, joka olisi myös merkittävä sovellus.
Tutkimus tehtiin Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakouluun kuuluvassa kylmälaboratoriossa, joka on osa Suomen Akatemian kylmien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja laitteiden huippuyksikköä. Mittauksissa käytetyt laitteet valmisti VTT Nanotechnologies and microsystems. Tutkimusta rahoittivat Suomen Akatemia, Euroopan tutkimusneuvosto ERC ja Euroopan unioni.
