Aalto-yliopiston kylmälaboratorion fyysikot ovat osoittaneet, miten nanomekaanista oskillaattoria voidaan käyttää heikkojen radioaaltojen tai mikroaaltojen havaitsemiseen ja vahvistamiseen.
Mittaus tällaisella pienellä laitteella, joka muistuttaa miniatyrisoitua kitaran kieltä, voidaan suorittaa mahdollisimman vähällä häiriöllä. Tulokset julkaistiin hiljattain arvostetuimmalla tieteellisellä areenalla, brittiläisessä Nature-lehdessä.
Tutkijat jäähdyttivät nanomekaanisen oskillaattorin, joka oli tuhat kertaa ohuempi kuin ihmisen hius, matalaan lämpötilaan lähelle absoluuttista nollapistettä -273 celsiusasteessa. Tällaisissa äärimmäisissä olosuhteissa jopa lähes makroskooppisen kokoiset kohteet noudattavat kvanttifysiikan lakeja, jotka ovat usein ristiriidassa terveen järjen kanssa. Matalan lämpötilan laboratoriokokeissa lähes miljardi nanomekaanisen resonaattorin muodostavaa atomia värähteli vauhtia jaetussa kvanttitilassaan.
Tutkijat olivat valmistaneet laitteen kosketuksessa suprajohtavan onteloresonaattorin kanssa, joka vaihtaa energiaa nanomekaanisen resonaattorin kanssa. Tämä mahdollisti niiden resonanssiliikkeen vahvistamisen. Tämä on hyvin samanlaista kuin kitarassa, jossa kieli ja kaikukammio resonoivat samalla taajuudella. Sen sijaan, että muusikko soittaisi kitaran kieltä, energianlähteen tarjosi mikroaaltolaser.
Mikroaallot voimistuvat kvanttivärähtelyjen vuorovaikutuksessa
Aalto-yliopiston Low Temperature Laboratoryn tutkijat ovat osoittaneet, miten sähkömagneettisia signaaleja voidaan havaita ja vahvistaa lähes äänettömästi kitaran kielen kaltaisella mekaanisella värähtelevällä langalla. Ihannetapauksessa menetelmä lisää vain kvanttimekaniikan vaatiman vähimmäismäärän kohinaa.
Tällä hetkellä käytetyt puolijohdetransistorivahvistimet ovat monimutkaisia ja meluisia laitteita, ja ne toimivat kaukana kvanttifysiikan asettamasta perustavanlaatuisesta häiriörajasta. Matalan lämpötilan laboratorion tutkijat osoittivat, että hyödyntämällä kvanttiresonanssiliikettä ruiskutettu mikroaaltosäteily voidaan vahvistaa pienellä häiriöllä. Periaate mahdollistaa siis paljon heikompien signaalien havaitsemisen kuin tavallisesti.
Mikä tahansa mittausmenetelmä tai -laite lisää aina jonkin verran 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 kvanttiperustilaansa. Jäähtymisen pitäisi ilmetä luotaussignaalin heikkenemisenä, jonka havaitsimme. Mutta kun muutimme hieman mikroaaltolaserin taajuutta, näimme luotaussignaalin voimistuvan valtavasti. Olimme luoneet lähes kvanttirajoitetun
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 terahertsisäteilyä, joka olisi myös tärkeä sovellus.
Tutkimus tehtiin Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakouluun kuuluvassa matalalämpötilalaboratoriossa, joka on osa Suomen Akatemian matalan lämpötilan kvantti-ilmiöiden ja -laitteiden huippuyksikköä. Mittauksissa käytetyt laitteet ovat VTT Nanoteknologian ja mikrojärjestelmien valmistamia. Tutkimusta rahoittivat Suomen Akatemia, Euroopan tutkimusneuvosto ERC ja Euroopan unioni.
