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

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

I ricercatori hanno raffreddato l'oscillatore nanomeccanico, mille volte più sottile di un capello umano, fino a una bassa temperatura 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 senso comune. 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 superconduttiva, che scambia energia con il risonatore nanomeccanico. Ciò ha permesso l'amplificazione del loro movimento risonante. Questo è molto simile a ciò che accade in una chitarra, dove la corda e la camera dell'eco risuonano alla stessa frequenza. Invece del musicista che suonava 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 di Aalto hanno dimostrato come rilevare e amplificare i segnali elettromagnetici quasi senza rumore utilizzando una corda di chitarra come un filo vibrante meccanico. Nel caso ideale, il metodo aggiunge solo la minima quantità di rumore richiesta dalla meccanica quantistica.

Gli amplificatori a transistor a semiconduttore attualmente utilizzati sono dispositivi complicati e rumorosi e operano lontano da un limite di disturbo fondamentale stabilito dalla fisica quantistica. Gli scienziati del Low Temperature Laboratory hanno dimostrato che sfruttando il movimento risonante quantistico, 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 o dispositivo di misurazione aggiunge sempre un po' di 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, ci siamo avvicinati molto a questo limite, afferma il dottor Francesco Massel.
La scoperta è stata in realtà piuttosto inaspettata. Il nostro obiettivo era quello di raffreddare il risonatore nanomeccanico fino al suo stato quantistico fondamentale. Il raffreddamento dovrebbe manifestarsi come un indebolimento di un segnale di sonda, che abbiamo osservato. Ma quando abbiamo leggermente modificato la frequenza del laser a microonde, abbiamo visto che il segnale di sondaggio si è rafforzato enormemente. Avevamo creato un sistema quasi quantistico Componenti della guida d'onda, afferma Mika Sillanpää, ricercatrice dell'Accademia, che ha pianificato il progetto e ha effettuato le misurazioni.
Alcune applicazioni reali trarranno vantaggio dal migliore amplificatore basato sul nuovo metodo Aalto, ma il raggiungimento di questa fase richiede un maggiore sforzo di ricerca. Molto probabilmente, l'amplificatore meccanico a microonde sarà applicato per la prima volta nella ricerca di base correlata, che amplierà ulteriormente la nostra conoscenza della linea di confine tra il mondo quotidiano e il regno quantistico.

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

La ricerca è stata svolta nel Laboratorio a Bassa Temperatura, che appartiene alla Aalto University School of Science, e fa parte del Centro di Eccellenza in Fenomeni Quantistici e Dispositivi 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.