Physiker im Niedertemperaturlabor der Aalto-Universität haben gezeigt, wie ein nanomechanischer Oszillator zur Detektion und Verstärkung schwacher Radiowellen oder Mikrowellen eingesetzt werden kann.
Eine Messung mit einem so winzigen Gerät, das einer miniaturisierten Gitarrensaite ähnelt, kann mit möglichst geringer Störung durchgeführt werden. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der renommiertesten wissenschaftlichen Fachrichtung, der britischen Zeitschrift 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. Unter solch extremen Bedingungen folgen selbst nahezu makroskopische Objekte den Gesetzen der Quantenphysik, die oft dem gesunden Menschenverstand widersprechen. In den Low Temperature Laboratory-Experimenten schwankten die fast Milliarden Atome, aus denen der nanomechanische Resonator besteht, in ihrem gemeinsamen Quantenzustand.
Die Wissenschaftler hatten das Gerät in Kontakt mit einem supraleitenden Kavitätsresonator hergestellt, der Energie mit dem nanomechanischen Resonator austauscht. Dies ermöglichte eine Verstärkung ihrer Resonanzbewegung. Das ist sehr ähnlich wie bei einer Gitarre, bei der Saite und Echokammer mit derselben Frequenz resonieren. Anstatt dass der Musiker die Gitarrensaite spielte, wurde die Energiequelle von einem Mikrowellenlaser bereitgestellt.
Mikrowellen werden durch die Wechselwirkung von Quantenoszillationen verstärkt
Forscher des Low Temperature Laboratory der Aalto-Universität haben gezeigt, wie elektromagnetische Signale nahezu rauschlos mit einem gitarrensaitenähnlichen mechanischen Schwingungsdraht erkannt und verstärkt werden können. Im Idealfall fügt die Methode nur die minimale Menge an Rauschen hinzu, die die Quantenmechanik benötigt.
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 Low Temperature Laboratory zeigten, dass durch die Nutzung der quantenmechanischen Resonanzbewegung die eingespritzte Mikrowellenstrahlung mit geringer Störung verstärkt werden kann. Das Prinzip ermöglicht daher, deutlich schwächere Signale als üblich zu detektieren.
Jede Messmethode oder jedes Messgerät fügt immer eine Störung hinzu. Idealerweise ist das gesamte Rauschen auf Vakuumfluktuationen zurückzuführen, die von der Quantenmechanik vorhergesagt werden. Theoretisch erreicht unser Prinzip diese fundamentale Grenze. Im Experiment sind wir diesem Limit sehr nahegekommen, sagt Dr. Francesco Massel.
Die Entdeckung war tatsächlich ziemlich unerwartet. Wir wollten den nanomechanischen Resonator auf seinen Quantengrundzustand abkühlen. Die Abkühlung sollte sich als Abschwächung eines Sondierungssignals äußern, das wir beobachtet haben. Aber als wir die Frequenz des Mikrowellenlasers leicht veränderten, sahen wir, dass das Sondsignal enorm verstärkt wurde. Wir hatten eine nahezu quantenmechanische Grenze geschaffen
Wellenleiterkomponenten, sagt Akademie-Forschungsstipendiat Mika Sillanpää, der das Projekt plante und die Messungen vornahm.
Bestimmte Anwendungen in der realen Praxis profitieren von dem besseren Verstärker auf Basis der neuen Aalto-Methode, aber um dieses Stadium zu erreichen, sind weitere Forschungsarbeit erforderlich. Höchstwahrscheinlich wird der mechanische Mikrowellenverstärker erstmals in verwandter Basisforschung eingesetzt, was unser Wissen über die Grenze zwischen Alltag und Quantenbereich weiter erweitern wird.
Laut dem Akademie-Forschungsstipendiat Tero Heikkilä liegt die Schönheit des Verstärkers in seiner Schlichtheit: Er besteht aus zwei gekoppelten Oszillatoren. Daher kann dieselbe Methode im Grunde in jedem Medium realisiert werden. Durch die Verwendung einer anderen Struktur der Kavitität könnte man Terahertzstrahlung nachweisen, was ebenfalls eine Hauptanwendung wäre.
Die Forschung wurde im Niedrigtemperaturlabor durchgeführt, das zur Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Aalto 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 gefertigt. Die Forschung wurde von der Finnischen Akademie, dem Europäischen Forschungsrat (ERC) und der Europäischen Union finanziert.
