Các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Nhiệt độ Thấp của Đại học Aalto đã chỉ ra cách một bộ dao động nanomechanical có thể được sử dụng để phát hiện và khuếch đại các sóng vô tuyến hoặc vi sóng yếu.

Một phép đo sử dụng thiết bị nhỏ như vậy, giống như dây đàn guitar thu nhỏ, có thể thực hiện với sự xáo trộn nhỏ nhất có thể. Kết quả này gần đây đã được công bố trên lĩnh vực khoa học danh tiếng nhất, tạp chí Anh Nature.

Các nhà nghiên cứu đã làm nguội bộ dao động nano cơ học, mỏng gấp nghìn lần tóc người, xuống đến nhiệt độ thấp gần độ không tuyệt đối ở -273 độ C. Trong điều kiện cực đoan như vậy, ngay cả các vật thể gần như có kích thước vĩ mô cũng tuân theo các định luật vật lý lượng tử, vốn thường mâu thuẫn với lẽ thường. Trong các thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Nhiệt độ Thấp, gần một tỷ nguyên tử tạo nên bộ cộng hưởng nano cơ học đang dao động nhịp độ trong trạng thái lượng tử chung của chúng.

Các nhà khoa học đã chế tạo thiết bị này tiếp xúc với bộ cộng hưởng khoang siêu dẫn, bộ này trao đổi năng lượng với bộ cộng hưởng nano cơ. Điều này cho phép khuếch đại chuyển động cộng hưởng của chúng. Điều này rất giống với những gì xảy ra trong guitar, nơi dây đàn và buồng vang cộng hưởng cùng một tần số. Thay vì nhạc công chơi dây đàn guitar, nguồn năng lượng được cung cấp bởi một tia laser vi sóng.

Sóng vi ba được khuếch đại bởi sự tương tác của dao động lượng tử
Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Nhiệt độ thấp, Đại học Aalto, đã chỉ ra cách phát hiện và khuếch đại tín hiệu điện từ gần như không gây tiếng ồn bằng dây rung cơ học giống dây đàn guitar. Trong trường hợp lý tưởng, phương pháp chỉ thêm lượng nhiễu tối thiểu theo yêu cầu của cơ học lượng tử.

Các bộ khuếch đại transistor bán dẫn hiện đang được sử dụng là những thiết bị phức tạp và gây nhiễu, hoạt động cách xa giới hạn nhiễu loạn cơ bản do vật lý lượng tử đặt ra. Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Nhiệt độ Thấp đã chỉ ra rằng bằng cách tận dụng chuyển động cộng hưởng lượng tử, bức xạ vi sóng được tiêm vào có thể được khuếch đại với ít nhiễu loạn. Nguyên tắc này cho phép phát hiện các tín hiệu yếu hơn nhiều so với thông thường.

Bất kỳ phương pháp hay thiết bị đo lường nào cũng luôn gây nhiễu sóng. Lý tưởng nhất, tất cả nhiễu đều do dao động chân không được cơ học lượng tử dự đoán. Về lý thuyết, nguyên lý của chúng ta đạt đến giới hạn cơ bản này. Trong thí nghiệm, chúng tôi đã tiến rất gần đến giới hạn này, Tiến sĩ Francesco Massel cho biết.
Phát hiện này thực sự khá bất ngờ. Chúng tôi hướng tới làm mát cộng hưởng nano cơ học về trạng thái cơ tử của nó. Việc làm mát nên biểu hiện dưới dạng sự yếu đi của tín hiệu thăm dò, điều mà chúng tôi đã quan sát. Nhưng khi chúng tôi thay đổi nhẹ tần số của laser vi sóng, tín hiệu thăm dò được tăng cường rất nhiều. Chúng tôi đã tạo ra một giới hạn gần như lượng tửcác thành phần dẫn sóng, cho biết, Nghiên cứu viên của Học viện Mika Sillanpää, người đã lên kế hoạch dự án và thực hiện các phép đo.
Một số ứng dụng thực tế sẽ được hưởng lợi từ bộ khuếch đại tốt hơn dựa trên phương pháp Aalto mới, nhưng để đạt được giai đoạn này đòi hỏi nhiều nỗ lực nghiên cứu hơn. Rất có thể, bộ khuếch đại vi sóng cơ học sẽ được ứng dụng đầu tiên trong nghiên cứu cơ bản liên quan, điều này sẽ mở rộng thêm kiến thức của chúng ta về ranh giới giữa thế giới hàng ngày và thế giới lượng tử.

Theo Nghiên cứu viên Viện Hàn lâm Tero Heikkilä, điểm tuyệt vời của bộ khuếch đại nằm ở sự đơn giản: nó bao gồm hai bộ dao động ghép nối. Do đó, cùng một phương pháp có thể được thực hiện trên hầu hết mọi phương tiện truyền thông. Bằng cách sử dụng cấu trúc khoang khác, người ta có thể phát hiện bức xạ terahertz, đây cũng là một ứng dụng lớn.

Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Nhiệt độ Thấp, thuộc Trường Khoa học Đại học Aalto, và là một phần của Trung tâm Xuất sắc về Hiện tượng Lượng tử và Thiết bị Nhiệt độ Thấp thuộc Viện Hàn lâm Phần Lan. Các thiết bị sử dụng trong các phép đo được chế tạo bởi các công nghệ nano và vi hệ thống VTT. Nghiên cứu được tài trợ bởi Viện Hàn lâm Phần Lan, Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu ERC và Liên minh Châu Âu.