Aalto-yliopiston matalan lämpötilan laboratorion fyysikot ovat osoittaneet, miten nanomekaanista oskillaattoria voidaan käyttää heikkojen radioaaltojen tai mikroaaltojen havaitsemiseen ja vahvistamiseen.
Mittaus näin pienellä laitteella, joka muistuttaa miniatyrisoitua kitaran kieltä, voidaan tehdä mahdollisimman vähillä häiriöillä. Tulokset julkaistiin äskettäin arvostetuimmassa tieteellisessä foorumissa, brittiläisessä Nature-lehdessä.
Tutkijat jäähdyttivät nanomekaanisen oskillaattorin, joka oli tuhat kertaa ohuempi kuin ihmisen hius, alhaiseen lämpötilaan lähelle absoluuttista nollapistettä, -273 celsiusastetta. Näin äärimmäisissä olosuhteissa jopa lähes makroskooppiset kappaleet noudattavat kvanttifysiikan lakeja, jotka usein ovat ristiriidassa maalaisjärjen kanssa. Low Temperature Laboratory -kokeissa lähes miljardi atomia, jotka muodostavat nanomekaanisen resonanssin, värähteli vauhdissaan yhteisessä kvanttitilassaan.
Tutkijat valmistivat laitteen kosketuksissa suprajohtavan kammioresonanssin kanssa, joka vaihtaa energiaa nanomekaanisen resonanssin kanssa. Tämä mahdollisti niiden resonanssiliikkeen vahvistamisen. Tämä on hyvin samanlaista kuin kitarassa, jossa kieli ja kaikukammio resonoivat samalla taajuudella. Sen sijaan, että muusikko olisi soittanut kitaran kieltä, energian tuotti mikroaaltolaser.
Mikroaallot vahvistuvat kvanttivärähtelyjen vuorovaikutuksesta
Aalto-yliopiston Low Temperature Laboratoryn tutkijat ovat osoittaneet, miten sähkömagneettisia signaaleja havaitaan ja vahvistetaan lähes äänettömästi kitaran kielen kaltaisella mekaanisella värisevällä langalla. Ihanteellisessa tapauksessa 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 vähäisellä häiriöllä. Tämä periaate mahdollistaa paljon heikompien signaalien havaitsemisen kuin tavallisesti.
Mikä tahansa mittausmenetelmä tai laite aiheuttaa aina häiriötä. Ihanteellisesti kaikki kohina johtuu kvanttimekaniikan ennustamista tyhjiöfluktuaatioista. 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 resonanssi kvanttitilaan. Jäähdytys ilmenee tutkimussignaalin heikkenemisenä, kuten havaitsimme. Mutta kun muutimme mikroaaltolaserin taajuutta hieman, näimme mittaussignaalin vahvistuvan valtavasti. Olimme luoneet lähes kvanttirajoituksen
Aaltoputkikomponentit, sanoo akatemian tutkija Mika Sillanpää, joka suunnitteli projektin ja teki mittaukset.
Tietyt käytännön sovellukset hyötyvät paremmasta vahvistimesta, joka perustuu uuteen Aalto-menetelmään, mutta tähän vaiheeseen pääseminen vaatii lisää tutkimustyötä. Todennäköisesti mekaanista mikroaaltovahvistinta käytetään ensimmäisenä aiheeseen liittyvässä perustutkimuksessa, mikä laajentaa entisestään tietämystämme arjen ja kvanttimaailman rajarajasta.
Akatemian tutkija Tero Heikkilän mukaan vahvistimen kauneus piilee sen yksinkertaisuudessa: se koostuu kahdesta kytketystä oskillaattorista. Siksi sama menetelmä voidaan toteuttaa käytännössä missä tahansa mediassa. Käyttämällä erilaista ontelorakennetta voitiin havaita terahertssäteilyä, joka olisi myös merkittävä käyttötarkoitus.
Tutkimus toteutettiin Matalan lämpötilan laboratoriossa, joka kuuluu Aalto-yliopiston tiedekuntaan ja kuuluu Suomen akatemian matalan lämpötilan kvanttiilmiöiden ja -laitteiden huippuyksikköön. Mittauksissa käytetyt laitteet valmisti VTT Nanotechnologies ja mikrojärjestelmät. Tutkimusta rahoittivat Suomen Akatemia, Euroopan tutkimusneuvosto ERC ja Euroopan unioni.
