Các nhà vật lý trong Phòng thí nghiệm Nhiệt độ Thấp của Đại học Aalto đã chỉ ra cách sử dụng bộ dao động cơ học nano để phát hiện và khuếch đại sóng vô tuyến hoặc vi sóng yếu.

Phép đo bằng cách sử dụng một thiết bị nhỏ như vậy, giống như một dây đàn guitar thu nhỏ, có thể được thực hiện với ít nhiễu nhất có thể. Kết quả gần đây đã được công bố trên lĩnh vực khoa học uy tín nhất, tạp chí Nature của Anh.

Các nhà nghiên cứu đã làm mát bộ dao động cơ học nano, mỏng hơn hàng nghìn lần so với tóc người, xuống nhiệt độ thấp gần độ không tuyệt đối ở -273 độ C. Trong những điều kiện khắc nghiệt như vậy, ngay cả những vật thể có kích thước gần vĩ mô cũng tuân theo các định luật vật lý lượng tử thường mâu thuẫn với lẽ thường. Trong các thí nghiệm của Phòng thí nghiệm Nhiệt độ Thấp, gần một tỷ nguyên tử bao gồm bộ cộng hưởng cơ học nano đã dao động theo tốc độ ở trạng thái lượng tử chung của chúng.

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

Lò vi sóng 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 ồn ào bằng cách sử dụng dây đàn guitar giống như dây rung cơ học. Trong trường hợp lý tưởng, phương pháp này chỉ thêm lượng nhiễu tối thiểu theo yêu cầu của cơ học lượng tử.

Các bộ khuếch đại bóng bán dẫn được sử dụng hiện nay là các thiết bị phức tạp và ồn ào, và hoạt động cách xa giới hạn nhiễu động cơ bản do vật lý lượng tử đặt ra. Các nhà khoa học của 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. Do đó, nguyên tắc này cho phép phát hiện các tín hiệu yếu hơn nhiều so với bình thường.

Bất kỳ phương pháp hoặc thiết bị đo lường nào cũng luôn tạo thêm một số nhiễu. Lý tưởng nhất là tất cả tiếng ồn là do dao động chân không được dự đoán bởi cơ học lượng tử. Về lý thuyết, nguyên tắc 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 nói.
Khám phá này thực sự khá bất ngờ. Chúng tôi đang nhắm đến việc làm mát bộ cộng hưởng cơ học nano xuống trạng thái cơ bản lượng tử của nó. Sự làm mát sẽ biểu hiện dưới dạng sự suy yếu của tín hiệu thăm dò mà chúng tôi đã quan sát thấy. Nhưng khi chúng tôi thay đổi một chút tần số của tia laser vi sóng, chúng tôi thấy tín hiệu thăm dò tăng cường rất nhiều. Chúng tôi đã tạo ra một giới hạn gần như lượng tử Các thành phần ống dẫn sóng, thành viên nghiên cứu của Viện Hàn lâm Mika Sillanpää, người đã lên kế hoạch cho dự án và thực hiện các phép đo cho biết.
Một số ứng dụng thực tế sẽ được hưởng lợi từ bộ khuếch đại tốt hơn dựa trên phương pháp Aalto mới, nhưng đạt được giai đoạn này đòi hỏi nhiều nỗ lực nghiên cứu hơn. Nhiều khả năng, bộ khuếch đại vi sóng cơ học sẽ được áp dụng đầu tiên trong các nghiên cứu cơ bản liên quan, điều này sẽ mở rộng hơn nữa kiến thức của chúng ta về ranh giới giữa thế giới hàng ngày và lĩnh vực lượng tử.

Theo Nghiên cứu viên Viện Hàn lâm Tero Heikkilä, vẻ đẹp của bộ khuếch đại nằm ở sự đơn giản của nó: nó bao gồm hai bộ dao động được ghép nối. Do đó, phương pháp tương tự có thể được thực hiện trên bất kỳ phương tiện truyền thông nào về cơ bản. Bằng cách sử dụng một cấu trúc khác của khoang, người ta có thể phát hiện bức xạ terahertz, đây cũng sẽ là một ứng dụng chính.

Nghiên cứu được thực hiện trong 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 Nhiệt độ Thấp và Thiết bị của Học viện Phần Lan. Các thiết bị được sử dụng trong các phép đo được chế tạo bởi VTT Nanotechnologies và vi hệ thống. Nghiên cứu được tài trợ bởi Học viện Phần Lan, Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu ERC và Liên minh Châu Âu.