Квантовый осциллятор на базе электромеханического резонатора

Таким образом квантовый и классический "миры" не разделены непреодолимой пропастью - должен существовать постепенный переход от одного к другому. Исследование перехода от классической системы к квантовой привлекает большое внимание учёных. Если иметь дело с механическим осциллятором, то, уменьшая его размеры, вправе ожидать, что при определённых условиях должен произойти переход от классического поведения к квантовому: из-за дискретности энергетического спектра амплитуда колебаний осциллятора сможет принимать только определённые значения, что совершенно не характерно для классического механического осциллятора. Однако в реальности наблюдать переход от классического поведения к квантовому в случае достаточно большого объекта - задача очень непростая: поскольку состояние квантовой системы легко может быть разрушено в процессе взаимодействия с окружением. Реализовать подобную микроскопическую систему, которая демонстрировала бы квантовые свойства, очень сложно.

В случае механического осциллятора достаточно уже того, чтобы энергетический зазор между уровнями энергии гармонического осциллятора был существенно меньше характерной тепловой энергии, чтобы поставить крест на возможности наблюдать квантовое поведение осциллятора. Соответственно, чтобы это стало возможным, помимо малых размеров нужны, как минимум, очень низкие температуры и достаточно высокие собственные частоты колебаний осциллятора.

При частоте колебаний механического осциллятора (например, тонкого кремниевого бруска) порядка 1 ГГц требуется температура порядка 50 мК, чтобы можно было ожидать перехода к квантовому режиму колебаний ( ). Однако, чтобы собственная частота колебаний стала столь велика, все размеры механического осциллятора должны быть в субмикронном диапазоне, что существенно затрудняет возможность регистрации смещения бруска из положения равновесия.

, , .                (9.1)

Например, вибратор в виде цепочки из 100 атомов (10нм), совершающий продольные колебания на частоте 2,5 ТГц, проявит квантовые свойства при температуре 50К.

Вибратор в виде бруска длиной в 1 мкм=1000нм, совершающий продольные колебания на частоте 25 ГГц, проявит квантовые свойства при температуре ниже 0,5К.

Вибратор в виде бруска длиной в 1мм, совершающий продольные колебания на частоте 25 МГц, проявит квантовые свойства при температуре ниже 0,0005К.

При создании резонаторов, способных проявлять квантовые свойства, нужно выполнять следующие требования:

· снижать температуру,

· уменьшать геометрическиеразмеры,

· повышать рабочую частоту,

· использовать колебания на обертонах,

· обеспечивать акустическую развязку вибратора с элементами конструкции.   

Чтобы преодолеть эти затруднения, учёные из Бостонского университета создали микроскопический механический осциллятор достаточно хитрой формы. С помощью электронной литографии была изготовлена структура, напоминающая по форме антенну или двустороннюю расчёску: длина собственно кремниевого бруска - 10.7 мкм, ширина - 400 нм; для "зубчиков" длина и ширина составляют 500 нм и 200 нм, соответственно; общая толщина структуры 245 нм: 185 нм - толщина кремния, 60 нм - толщина напылённого на кремний золотого электрода.

Рисунок 9.2 Изображение механического наноосциллятора, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (а), схематическое изображение низкочастотных колебаний осциллятора (b)и коллективной моды колебаний на высоких частотах(с)

Подобная форма осциллятора приводит к появлению двух типов колебательных мод: низкочастотных, соответствующих колебанию конструкции как целого, и коллективных высокочастотных, когда колебания "зубчиков" (для которых собственная частота превышает 1 ГГц) в фазе вызывают колебания всей конструкции как целого.

Конструкцию помещали внутрь криостата со сверхпроводящим магнитом на 16 Тл, а колебания возбуждали, пропуская переменный ток через золотой электрод, в результате чего на структуру действовала сила Лоренца. Измеряя падение напряжения на золотом электроде, которое в таких условиях пропорционально смещению структуры, исследователи могли следить за колебаниями механического осциллятора. Когда частота вынуждающей силы совпадает с одной из собственных частот колебаний системы, должен иметь место резонанс, т.е. амплитуда колебаний осциллятора должна возрастать, что можно зафиксировать по изменению максимального напряжения.

При работе в низкочастотной области (21 МГц) при температуре 60 мК исследователи видели чисто классическую картину - амплитуда колебаний осциллятора постепенно увеличивалась по мере того, как росло магнитное поле (и, соответственно, увеличивалась сила, действующая на структуру). Такую же картину учёные наблюдали и при работе на частоте, совпадающей с собственной частотой высокочастотной коллективной моды (около 1,5 ГГц) при температуре 1 К (Рисунок 9.3).

Рисунок 9.3 Зависимость максимального напряжения (соответственно, амплитуды колебаний) от частоты вынуждающей силы вблизи резонанса (а) и от напряженности магнитного поля (б) при температуре 1К

Рисунок 9.4 Зависимость максимального напряжения (соответственно, амплитуды колебаний) от частоты вынуждающей силы вблизи резонанса (а) и от напряженности магнитного поля (б) при температуре - 110 мК.

Однако, при понижении температуры до 110 мК (при такой температуре kT становится сопоставимой с энергией кванта и можно ожидать проявления квантового характера колебаний) исследователи наблюдали качественно иную картину: непрерывного изменения амплитуды колебаний при изменении поля не происходило! Вместо этого происходили скачки напряжения между двумя определёнными значениями при изменении магнитного поля (Рисунок 9.4). Подобные скачки можно интерпретировать как переходы квантового осциллятора между основным и первым возбуждённым состоянием.

Хотя учёные проявляют осторожность, подчёркивая, что пока ещё рано однозначно интерпретировать результаты экспериментов как проявление квантового поведения макроскопического механического осциллятора ("расчёска" состоит примерно из 50 миллиардов атомов кремния), тем не менее, не исключено, что им действительно удалось прикоснуться к грани, разделяющей квантовый и классический миры. В рассмотренном эксперименте, возможно впервые, удалось наблюдать квантовое поведение механического осциллятора микронных размеров.

Можно ожидать, что применение достижений нанотехнологий в измерительной технике, в частности, при разработке первичных измерительных преобразователей на базе сверхминиатюрных, сверхвысокочастотных электромеханических резонаторов позволит совершить качественный скачок в приборостроении. Например, устройства такого типа будут характеризоваться сверхвысокой чувствительностью, не достижимой современными измерительными средствами. Но создание датчиков нового поколения с использованием квантовых осцилляторов потребует разработки теоретических основ их построения, технологии изготовления, применения специальной электроники и т.п.   

 Контрольные вопросы к главе 9

1. В чем заключается отличие квантовой колебательной системы от классической?

2. Какими достоинствами могут характеризоваться измерительные устройства, основанные на использовании сверхминиатюрных, сверхвысокочастотных электромеханических резонаторов?  

 

⇐ Предыдущая31323334353637383940Следующая ⇒

Поделиться: