„Vrata kvantnog sveta su sada otvorena“: Bečki inženjeri napravili najmanji kondenzator na svetu

Veliki skok u tehnologiji merenja počinje sa sićušnim procepom od samo 32 nanometra. To je rastojanje između pokretne aluminijumske membrane i fiksne elektrode, koji zajedno formiraju ekstremno kompaktan pločasti kondenzator – što predstavlja novi svetski rekord. Ova struktura je namenjena za upotrebu u visoko preciznim senzorima, poput onih koji su potrebni za mikroskopiju atomskih sila, saopštio je Tehnički univerzitet u Beču.

Ali ovaj svetski rekord je više od impresivnog podviga minijaturizacije – on je deo šire strategije. Tehnički univerzitet u Beču razvija različite hardverske platforme kako bi kvantnu detekciju učinio jednostavnijom za upotrebu, robusnijom i svestranijom. U konvencionalnim optomehaničkim eksperimentima, kretanje sićušnih mehaničkih struktura očitava se pomoću svetlosti. Međutim, optičke postavke su delikatne, složene i teške za integraciju u kompaktne, prenosive sisteme. Univerzitet se zato oslanja na druge vrste oscilacija umesto optičkih, koje su pogodnije za kompaktne senzore.

Preporučujemo

U strukturi koja obara rekorde sa kondenzatorom od 32 nanometra, ovu ulogu preuzima električno rezonantno kolo. U drugim eksperimentima, tim sa bečkog univerziteta koristi čisto mehaničke rezonatore čije se vibracije mogu namerno međusobno sprezati.

Obe platforme teže istom cilju: usavršavanju mehaničkih i elektromehaničkih nanostruktura do tačke u kojoj će jednog dana omogućiti merenja ograničena samo fundamentalnim zakonima kvantne fizike.

Kada udarite u bubanj, njegova membrana vibrira. Zvuk koji proizvodi otkriva koliko je čvrsto zategnuta.

- Na sličan način, na vibracije naše nanomembrane utiču različiti parametri. Naša aluminijumska membrana zajedno sa elektrodom formira sićušni kondenzator. U kombinaciji sa induktorom, ovo stvara rezonantno kolo čija je rezonanca ekstremno osetljiva na bilo koju promenu mehaničke vibracije – objasnio je Danijel Plac sa Instituta za senzorske i aktuatorske sisteme na Tehničkom univerzitetu u Beču, koji je predvodio projekat zajedno sa Ulrihom Šmitom.

Ovo sprezanje između kretanja membrane i električnog rezonantnog kola omogućava merenje ekstremno malih vibracija. Obično na takva merenja uvek utiče šum – neizvesnosti koje potiču iz različitih izvora. Temperatura može uvesti šum, a optički ili električni signali su sami po sebi šumni jer se sastoje od diskretnih čestica. Iako optičke metode merenja u principu mogu biti veoma precizne, strukture razvijene na univerzitetu sada postižu superiorne performanse u pogledu šuma, ograničene samo zakonima kvantne fizike – i to bez oslanjanja na optičke komponente.

To ovu tehnologiju čini idealnim partnerom za mikroskopiju atomskih sila. Kod mikroskopa atomskih sila, tanki vrh se kreće neposredno iznad površine. Sićušne sile između atoma površine i vrha stvaraju vibracije – merenje ovih vibracija daje ekstremno preciznu sliku površine.

- Optička merenja zamenjujemo merenjima električnog rezonantnog kola – potpuno bez glomaznih optičkih komponenti – objasnio je Joan Ignat, koji je radio na projektu zajedno sa Min-Hi Kvonom. Oboje su trenutno doktorandi na TU Wien.

Zapravo, čak ni električno rezonantno kolo nije striktno neophodno. Koristeći drugačiju strukturu, tim je pokazao da se umesto njega mogu koristiti i čisto mehanički sistemi integrisani na čipu.

- Iz perspektive kvantne teorije, nema fundamentalne razlike između rada sa elektromagnetnim oscilacijama ili mehaničkim vibracijama – matematički, obe se mogu opisati na isti način – rekla je Min-Hi Kvon.

Ovim se takođe izbegava problem po kojem električna rezonantna kola u kvantnoj detekciji često moraju biti hlađena na ekstremno niske temperature.

- Čak i na sobnoj temperaturi, vibracije čisto mikromehaničkog sistema mogu se sprezati u frekventnom opsegu od više gigaherca (GHz), a da termički šum ne nadvlada efekte sprezanja. Ovo je izvanredno, s obzirom na to da mnogi postojeći eksperimenti kvantne detekcije rade samo blizu apsolutne nule – rekao je Danijel Plac i dodao:

- Naši rezultati nas čine izuzetno optimističnim u pogledu budućnosti. Pokazali smo da naše nanostrukture poseduju ključna svojstva potrebna za proizvodnju nove, pouzdane i visoko precizne generacije kvantnih senzora. Vrata kvantnog sveta su sada otvorena – uzbuđeni smo što ćemo videti šta nas tamo čeka.

(Telegraf Nauka/TU Wien)