Physiker im Tieftemperaturlabor der Aalto Universität haben gezeigt, wie ein nanomechanischer Oszillator zur Detektion und Verstärkung von schwachen Radiowellen oder Mikrowellen eingesetzt werden kann.

Eine Messung mit einem so winzigen Gerät, das einer miniaturisierten Gitarrensaite ähnelt, kann mit der geringstmöglichen Störung durchgeführt werden. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der renommiertesten wissenschaftlichen Arena, der britischen Fachzeitschrift Nature, veröffentlicht.

Die Forscher kühlten den nanomechanischen Oszillator, tausendmal dünner als ein menschliches Haar, auf eine niedrige Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt bei -273 Grad Celsius ab. Unter solch extremen Bedingungen folgen selbst fast makroskopisch große Objekte den Gesetzen der Quantenphysik, die oft dem gesunden Menschenverstand widersprechen. In den Niedertemperaturlaborexperimenten oszillierten die fast eine Milliarde Atome des nanomechanischen Resonators in ihrem gemeinsamen Quantenzustand im Tempo.

Die Wissenschaftler hatten das Gerät in Kontakt mit einem supraleitenden Hohlraumresonator hergestellt, der Energie mit dem nanomechanischen Resonator austauscht. Dies ermöglichte eine Verstärkung ihrer Resonanzbewegung. Dies ist sehr ähnlich zu dem, was in einer Gitarre passiert, wo die Saite und die Echokammer mit der gleichen Frequenz schwingen. Anstatt dass der Musiker die Gitarrensaite spielte, wurde die Energiequelle durch einen Mikrowellenlaser bereitgestellt.

Mikrowellen werden durch Wechselwirkung von Quantenschwingungen verstärkt
Forscher des Tieftemperaturlabors der Aalto University haben gezeigt, wie elektromagnetische Signale mit einem gitarrensaitenartigen mechanischen Vibrationsdraht nahezu geräuschlos erkannt und verstärkt werden können. Im Idealfall addiert die Methode nur die minimale Menge an Rauschen, die von der Quantenmechanik benötigt wird.

Die derzeit verwendeten Halbleitertransistorverstärker sind komplizierte und verrauschte Bauelemente und arbeiten weit entfernt von einer fundamentalen Störungsgrenze, die von der Quantenphysik festgelegt wird. Die Wissenschaftler des Niedertemperaturlabors zeigten, dass durch die Nutzung der Quantenresonanzbewegung injizierte Mikrowellenstrahlung mit geringer Störung verstärkt werden kann. Das Prinzip erlaubt es daher, viel schwächere Signale als üblich zu erkennen.

Jede Messmethode oder jedes Gerät fügt immer eine gewisse Störung hinzu. Im Idealfall ist das gesamte Rauschen auf Vakuumfluktuationen zurückzuführen, die von der Quantenmechanik vorhergesagt werden. Theoretisch stößt unser Prinzip an diese fundamentale Grenze. Im Experiment sind wir dieser Grenze sehr nahe gekommen, sagt Dr. Francesco Massel.
Die Entdeckung kam eigentlich ganz unerwartet. Unser Ziel war es, den nanomechanischen Resonator auf seinen Quantengrundzustand abzukühlen. Die Abkühlung sollte sich als Schwächung eines Sondierungssignals manifestieren, was wir beobachtet haben. Aber als wir die Frequenz des Mikrowellenlasers leicht änderten, sahen wir, dass sich das Sondierungssignal enorm verstärkte. Wir hatten eine fast quantenbegrenzteHohlleiterkomponenten, sagt Academy Research Fellow Mika Sillanpää, der das Projekt geplant und die Messungen durchgeführt hat.
Bestimmte reale Anwendungen werden von dem besseren Verstärker profitieren, der auf der neuen Aalto-Methode basiert, aber um dieses Stadium zu erreichen, ist mehr Forschungsaufwand erforderlich. Höchstwahrscheinlich wird der mechanische Mikrowellenverstärker zunächst in der verwandten Grundlagenforschung eingesetzt, was unser Wissen über die Grenze zwischen Alltagswelt und Quantenreich weiter erweitern wird.

Laut Academy Research Fellow Tero Heikkilä liegt die Schönheit des Verstärkers in seiner Einfachheit: Er besteht aus zwei gekoppelten Oszillatoren. Daher kann die gleiche Methode in praktisch jedem Medium realisiert werden. Durch die Verwendung einer anderen Struktur des Hohlraums könnte man Terahertz-Strahlung erkennen, die auch eine Hauptanwendung wäre.

Die Forschung wurde im Tieftemperaturlabor durchgeführt, das zur Aalto University School of Science gehört und Teil des Exzellenzzentrums für Niedertemperatur-Quantenphänomene und -geräte der Finnischen Akademie ist. Die bei den Messungen verwendeten Geräte wurden von VTT Nanotechnologies und Mikrosystemen hergestellt. Die Forschung wurde von der Finnischen Akademie, dem Europäischen Forschungsrat ERC und der Europäischen Union finanziert.