Physiker des Niedertemperaturlabors der Aalto-Universität haben gezeigt, wie ein nanomechanischer Oszillator zur Detektion und Verstärkung von schwachen Radiowellen oder Mikrowellen verwendet werden kann.

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

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

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 bei 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 Niedertemperaturlabors der Aalto-Universität haben gezeigt, wie man elektromagnetische Signale mit Hilfe eines mechanisch schwingenden Drahtes wie eine Gitarrensaite fast geräuschlos erfassen und verstärken kann. Im Idealfall fügt die Methode nur die minimale Menge an Rauschen hinzu, die von der Quantenmechanik benötigt wird.

Die derzeit verwendeten Halbleitertransistorverstärker sind komplizierte und verrauschte Bauelemente und arbeiten weit entfernt von einer fundamentalen Störgrenze, die von der Quantenphysik festgelegt wird. Die Wissenschaftler des Niedertemperaturlabors zeigten, dass durch die Ausnutzung der Quantenresonanzbewegung die injizierte Mikrowellenstrahlung mit geringen Störungen verstärkt werden kann. Das Prinzip ermöglicht es daher, deutlich schwächere Signale als üblich zu detektieren.

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 erreicht unser Prinzip 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 herunterzukühlen. Die Abkühlung sollte sich als Abschwächung eines Sondierungssignals manifestieren, was wir beobachtet haben. Als wir aber die Frequenz des Mikrowellenlasers leicht veränderten, sahen wir, dass sich das Sondierungssignal enorm verstärkte. Wir hatten eine nahezu quantenbegrenzte Hohlleiter-Komponenten, 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 das Erreichen dieses Stadiums erfordert mehr Forschungsanstrengungen. Höchstwahrscheinlich wird der mechanische Mikrowellenverstärker erstmals in der verwandten Grundlagenforschung zum Einsatz kommen, was unser Wissen über die Grenze zwischen der Alltagswelt und dem Quantenbereich 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 nachweisen, was ebenfalls eine wichtige Anwendung wäre.

Die Forschung wurde im Tieftemperaturlabor durchgeführt, das zur Aalto University School of Science gehört und Teil des Centre of Excellence in Low Temperature Quantum Phenomena and Devices der Finnischen Akademie ist. Die Geräte, die für die Messungen verwendet wurden, wurden von VTT Nanotechnologies and microsystems hergestellt. Die Forschung wurde von der Finnischen Akademie, dem Europäischen Forschungsrat ERC und der Europäischen Union finanziert.