I fisici del Laboratorio a Bassa Temperatura dell'Università Aalto hanno dimostrato come un oscillatore nanomeccanico possa essere utilizzato per la rilevazione e amplificazione di onde radio deboli o microonde.

Una misurazione con un dispositivo così piccolo, simile a una corda di chitarra miniaturizzata, può essere eseguita con il minimo disturbo possibile. I risultati sono stati recentemente pubblicati nell'arena scientifica più prestigiosa, la rivista britannica Nature.

I ricercatori hanno raffreddato l'oscillatore nanomeccanico, mille volte più sottile di un capello umano, fino a una temperatura bassa vicina allo zero assoluto a -273 gradi centigradi. In condizioni così estreme, anche gli oggetti di dimensioni quasi macroscopiche seguono le leggi della fisica quantistica che spesso contraddicono il buon senso. Negli esperimenti del Low Temperature Laboratory, i quasi miliardi di atomi che componevano il risonatore nanomeccanico oscillavano nel loro stato quantistico condiviso.

Gli scienziati avevano fabbricato il dispositivo a contatto con un risonatore a cavità superconduttore, che scambia energia con il risonatore nanomeccanico. Questo permetteva di amplificare il loro movimento risonante. Questo è molto simile a ciò che succede in una chitarra, dove la corda e la camera dell'eco risuonano alla stessa frequenza. Invece che il musicista suonasse la corda della chitarra, la fonte di energia era fornita da un laser a microonde.

Le microonde vengono amplificate dall'interazione delle oscillazioni quantistiche
I ricercatori del Low Temperature Laboratory dell'Università Aalto hanno dimostrato come rilevare e amplificare segnali elettromagnetici quasi silenziosamente utilizzando un filo meccanico vibrante simile a una corda di chitarra. Nel caso ideale, il metodo aggiunge solo la quantità minima di rumore richiesta dalla meccanica quantistica.

Gli amplificatori a transistor semiconduttori attualmente utilizzati sono dispositivi complessi e rumorosi, e operano lontano da un limite fondamentale di disturbo fissato dalla fisica quantistica. Gli scienziati del Low Temperature Laboratory hanno dimostrato che, sfruttando il moto di risonanza quantistica, la radiazione a microonde iniettata può essere amplificata con poco disturbo. Il principio consente quindi di rilevare segnali molto più deboli del solito.

Qualsiasi metodo di misura o dispositivo aggiunge sempre qualche disturbo. Idealmente, tutto il rumore è dovuto alle fluttuazioni del vuoto previste dalla meccanica quantistica. In teoria, il nostro principio raggiunge questo limite fondamentale. Nell'esperimento siamo arrivati molto vicini a questo limite, dice il dottor Francesco Massel.
La scoperta è stata in realtà piuttosto inaspettata. Il nostro obiettivo era raffreddare il risonatore nanomeccanico fino al suo stato fondamentale quantistico. Il raffreddamento dovrebbe manifestarsi come un indebolimento di un segnale di sonda, come abbiamo osservato. Ma quando cambiammo leggermente la frequenza del laser a microonde, vedemmo il segnale di sondaggio rafforzarsi enormemente. Avevamo creato un quasi limitato quantisticoComponenti della guida d'onda, dice la ricercatrice dell'Academy Mika Sillanpää, che ha pianificato il progetto e ha effettuato le misurazioni.
Alcune applicazioni reali trarranno beneficio da un amplificatore migliore basato sul nuovo metodo Aalto, ma raggiungere questo livello richiede più impegno di ricerca. Molto probabilmente, l'amplificatore meccanico a microonde sarà applicato per la prima volta nella ricerca di base correlata, il che amplierà ulteriormente la nostra conoscenza del confine tra il mondo quotidiano e il regno quantistico.

Secondo il ricercatore dell'Accademia Tero Heikkilä, la bellezza dell'amplificatore sta nella sua semplicità: è composto da due oscillatori accoppiati. Pertanto, lo stesso metodo può essere realizzato praticamente in qualsiasi mezzo. Utilizzando una struttura diversa della cavità, si poteva rilevare la radiazione terahertz, che sarebbe anch'essa un'applicazione importante.

La ricerca è stata condotta nel Laboratorio per Basse Temperature, che appartiene alla Scuola di Scienze dell'Università Aalto, e fa parte del Centro di Eccellenza in Fenomeni e Dispositivi Quantistici a Bassa Temperatura dell'Accademia Finlandese. I dispositivi utilizzati nelle misurazioni sono stati fabbricati da VTT Nanotechnologies e microsystems. La ricerca è stata finanziata dall'Accademia Finlandese, dal Consiglio Europeo della Ricerca ERC e dall'Unione Europea.