EN

Nanomekaanisesta värähtelijästä vahvistin kvanttifysiikan mittauksiin

Aalto-yliopiston Kylmälaboratorion fyysikot ovat osoittaneet, kuinka nanomekaanista värähtelijää voidaan käyttää heikkojen radio- ja mikroaaltojen mittaamiseen ja vahvistamiseen. Kitaran kieltä muistuttavan nanomekaanisen värähtelijän avulla tehtävä mittaus on uusien tutkimustulosten mukaan lähes häiriötöntä yleisesti käytettyihin menetelmiin verrattuna. Tulokset julkaistiin äskettäin tiedemaailman arvostetuimmassa julkaisussa, brittiläisessä Nature-lehdessä. Kylmälaboratorio kuuluu Suomen Akatemian ”Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja -laitteiden” huippuyksikköön.

Tutkijat jäädyttivät tuhat kertaa hiusta ohuemman nanomekaanisen värähtelijän hyvin matalaan lämpötilaan, lähelle absoluuttista nollapistettä, sillä tällaisissa olosuhteissa jopa suhteellisen suuret kappaleet käyttäytyvät arkimaailmasta poikkeavalla tavalla, kvanttifysiikan lakien mukaan. Kylmälaboratoriossa mitatussa värähtelijässä lähes miljardi atomia liikkui niiden yhteisessä kvanttitilassa. Suprajohtavan mikroaaltovärähtelypiirin yhteyteen valmistettu nanomekaaninen värähtelijä vaihtoi energiaa värähtelypiirin kanssa, ja sen resonanssiliike vahvistui kuten kitarassa, jossa kieli ja kaikukoppa resonoivat samalla taajuudella. Energialähteenä ei toiminut kitaraa näppäilevä muusikko, vaan tutkijoiden käyttämä mikroaaltolaser.


Värähtelyjen vuorovaikutus vahvistaa mikroaaltoja

Tässä työssä Aalto-yliopiston Kylmälaboratorion tutkijat osoittivat miten kitaran kielen kaltaisen mekaanisen värähtelijän avulla voidaan mitata ja vahvistaa sähkömagneettisia signaaleja lähes häviöttä. Ideaalitapauksessa menetelmä lisää vain kvanttimekaniikan vaatiman minimimäärän kohinaa mitattavaan signaaliin.

Nykyiset puolijohdetransistoreihin perustuvat vahvistimet ovat monimutkaisia ja häiriöisiä laitteita, ja kaukana kvanttifysiikan määräämästä tarkkuusrajasta. Kylmälaboratorion tutkijat osoittivat, että resonanssiliikkeen avulla voidaan vahvistaa kaviteettiin syötettäviä mikroaaltoja lähes häiriöttömästi. Sen vuoksi tämä menetelmä mahdollistaa paljon tavallista heikompien signaalien mittauksen.

"Kaikki mittauslaitteet lisäävät häiriöitä vahvistettavaan signaaliin. Ihannetapauksessa nämä häiriöt johtuvat pelkästään kvanttimekaanisesta nollapistevärähtelystä. Teoriassa menetelmämme kykenee saavuttamaan tämän ihannetapauksen, ja käytännössäkin pääsimme hyvin lähelle", hehkuttaa Kylmälaboratorion tutkijatohtori Francesco Massel.

"Löydös tapahtui oikeastaan sattumalta, kun pyrimme jäähdyttämään värähtelijää perustilaansa. Tämä jäähdytys näkyy koetinsignaalin vaimentumisena, minkä myös havaitsimme. Muuttamalla hieman mikroaaltolaserin taajuutta havaitsimme koetinsignaalimme vahvistuvan voimakkaasti, ilman että kohina lisääntyi merkittävästi. Olimme luoneet lähes kvanttirajoitteisen mikroaaltovahvistimen", kertoo mittauksen tehnyt ja projektin suunnitellut Akatemiatutkija Mika Sillanpää.

Jotkin vahvistimet voitaisiin ehkä tulevaisuudessa korvata Kylmälaboratoriossa tutkitulla laitteella. Löydös myös mahdollistaa makroskooppisten kappaleiden kvanttimekaanisten ominaisuuksien entistä tarkemman tutkimuksen.

Akatemiatutkija Tero Heikkilän mukaan menetelmän hienous on mitatun systeemin yksinkertaisuudessa: se muodostuu kahdesta kytketystä värähtelijästä. Tämän vuoksi samanlaisen kvanttivahvistimen voisi tehdä monenlaisissa muissakin rakenteissa, ja kaviteettia muuttamalla mikroaaltosignaalin vahvistuksesta voitaisiin siirtyä esimerkiksi terahertsialueeseen.

Mittauksissa käytettiin VTT:n ”Nanoteknologiat ja mikrosysteemit” -yksikössä valmistettua näytettä. Hankkeen ovat rahoittaneet Suomen Akatemia, Euroopan tiedeneuvosto ERC sekä Euroopan Unioni.

Linkki Nature-lehdessä julkaistuun artikkeliin: http://www.nature.com/nature/journal/v480/n7377/full/nature10628.html


Lisätietoa:

Mika Sillanpää, Mika.Sillanpaa@aalto.fi, puh. +358 9 470 24898
Tero Heikkilä, Tero.Heikkila@aalto.fi, puh. +358 9 470 22396
Francesco Massel, Francesco.Massel@aalto.fi, puh. +358 50 3015566 


Francesco Massel, T.T. Heikkilä, J.-M. Pirkkalainen, S.U. Cho, H. Saloniemi, P.J. Hakonen, and Mika A. Sillanpää: Microwave amplification with nanomechanical resonators, Nature

Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »