Велики скок у технологији мерења почиње са сићушним процепом од свега 32 нанометра. То је растојање између покретне алуминијумске мембране и фиксне електроде, које заједно чине изузетно компактан плочасти кондензатор – нови светски рекорд. Ова структура намењена је употреби у високо прецизним сензорима, попут оних који су неопходни за микроскопију атомских сила, саопштио је Технички универзитет у Бечу.
Међутим, овај светски рекорд представља више од импресивног подухвата минијатуризације – он је део шире стратегије. Технички универзитет у Бечу развија различите хардверске платформе са циљем да квантну детекцију учини једноставнијом за употребу, робуснијом и свестранијом. У класичним оптомеханичким експериментима, кретање изузетно малих механичких структура очитава се помоћу светлости. Ипак, оптичке поставке су осетљиве, сложене и тешке за интеграцију у компактне и преносиве системе. Због тога се истраживачи све више ослањају на друге врсте осцилација уместо оптичких, које су погодније за развој компактних сензора.
У структури која обара рекорде са кондензатором од 32 нанометра, ову улогу преузима електрично резонантно коло. У другим експериментима, тим са бечког универзитета користи чисто механичке резонаторе чије се вибрације могу намерно међусобно спрезати.
Обе платформе теже истом циљу: усавршавању механичких и електромеханичких наноструктура до тачке у којој ће једног дана омогућити мерења ограничена искључиво фундаменталним законима квантне физике.
Када ударите у бубањ, његова мембрана почиње да вибрира. Звук који притом настаје открива колико је мембрана чврсто затегнута.
– На сличан начин, на вибрације наше наномембране утичу различити параметри. Наша алуминијумска мембрана, заједно са електродом, формира сићушан кондензатор. У комбинацији са индуктором, то ствара резонантно коло чија је резонанца изузетно осетљива на сваку промену механичких вибрација – објаснио је Данијел Плац са Института за сензорске и актуаторске системе Техничког универзитета у Бечу, који је пројекат предводио заједно са Улрихом Шмитом.
Ово спрезање између кретања мембране и електричног резонантног кола омогућава мерење изузетно малих вибрација. На таква мерења обично утиче шум – неизвесности које потичу из различитих извора. Температура може унети шум, а оптички или електрични сигнали су сами по себи шумовити јер се састоје од дискретних честица. Иако оптичке методе мерења у принципу могу бити веома прецизне, структуре развијене на универзитету сада постижу супериорне перформансе у погледу шума, ограничене једино законима квантне физике – и то без ослањања на оптичке компоненте.
То ову технологију чини идеалним партнером за микроскопију атомских сила. Код микроскопа атомских сила, танак врх се креће непосредно изнад површине. Сићушне силе између атома површине и врха изазивају вибрације – а мерење тих вибрација пружа изузетно прецизну слику површине.
– Оптичка мерења замењујемо мерењима електричног резонантног кола – потпуно без гломазних оптичких компоненти – објаснио је Јоан Игнат, који је на пројекту радио заједно са Мин-Хи Квон. Обоје су тренутно докторанди на Техничком универзитету у Бечу.
Заправо, чак ни електрично резонантно коло није строго неопходно. Користећи другачију структуру, тим је показао да се уместо њега могу користити и чисто механички системи интегрисани на чипу.
– Из перспективе квантне теорије, не постоји фундаментална разлика између рада са електромагнетним осцилацијама и механичким вибрацијама – математички, обе се могу описати на исти начин – рекла је Мин-Хи Квон.
На тај начин избегава се и проблем да електрична резонантна кола у квантној детекцији често морају бити хлађена на изузетно ниске температуре.
– Чак и на собној температури, вибрације чисто микромеханичког система могу се спрезати у фреквентном опсегу од више гигахерца (GHz), а да термички шум не надвлада ефекте спрезања. То је изузетно, ако се има у виду да многи постојећи експерименти квантне детекције функционишу само у близини апсолутне нуле – рекао је Данијел Плац и додао:
– Наши резултати нас чине изузетно оптимистичним у погледу будућности. Показали смо да наше наноструктуре поседују кључна својства неопходна за развој нове, поуздане и високо прецизне генерације квантних сензора. Врата квантног света сада су отворена – узбуђени смо што ћемо видети шта нас тамо очекује.
