Хаос. Нелинейная динамика

Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) изучили квантовое «поведение» механического осциллятора, размеры которого — 30 мкм — сравнимы с диаметром человеческого волоса.

Эксперименты с крошечными, колеблющимися с высокой частотой устройствами, которые исследователи пытались перевести в «основное» энергетическое состояние с целью регистрации квантовых эффектов, начались довольно давно. Физики пробовали охлаждать полупроводниковые образцы, вибрирующие, как гитарные струны; для наблюдения за их движением экспериментаторы прикладывали напряжение между ними и расположенным рядом электродом и следили за колебаниями этого напряжения, пользуясь чувствительным одноэлектронным транзистором. Такого рода опыты были, однако, чрезвычайно сложны.

Авторам рассматриваемой работы удалось найти более простой вариант, не требующий охлаждения до рекордно низких температур. «Если бы я взял камертон и решил перевести его в «основное» состояние, мне пришлось бы снизить его температуру до, скажем, 50 миллиардных долей градуса, — рассказывает участник исследования Эндрю Клелэнд (Andrew Cleland). — Таких методик охлаждения пока не придумали. Но если я увеличу частоту камертона, для проведения опыта может хватить и охлаждения до 50 миллионных долей градуса».

Выбранная физиками механическая система, напоминающая миниатюрный трамплин, имела резонансную частоту в 6 ГГц, что позволило экспериментировать при сравнительно высокой температуре в 25 мК. В центре «трамплина» находился слой пьезоэлектрического материала (нитрида алюминия), а по краям — слои алюминия. При работе структура не колеблется из стороны в сторону, а сжимается и расширяется, что вызывает появление осциллирующего электрического поля, которое упрощает регистрацию движения «трамплина».

Для того чтобы наблюдать интересовавшие их эффекты в механическом резонаторе, ученые связали его с квантовомеханической системой, имеющей основное и возбужденное энергетические состояния, — сверхпроводящим кубитом с контактом Джозефсона (сверхпроводниками, разделенными тонким слоем диэлектрика). Контролировать переходы между этими состояниями позволяет микроволновое излучение определенной частоты, причем значение частоты можно изменять, варьируя величину тока смещения кубита.

В опытах была продемонстрирована возможность управления квантами колебательного движения — фононами. Уравнивая частоту кубита с частотой осциллятора, авторы научились «передавать» кванты в обе стороны. Ученым также, как сообщается, удалось создать суперпозицию состояний механического резонатора.

О практическом применении таких квантовых резонаторов речь пока не идет. «Наверное, они когда-нибудь пригодятся, — говорит г-н Клелэнд. — Но сейчас я, если честно, не могу придумать, как их можно использовать».

Резонансные частоты механических резонаторов различной толщины (иллюстрация авторов работы).

Источники: Компьюлента, ScienceNOW.