Veliki skok u tehnologiji merenja počinje sa sićušnim procepom od svega 32 nanometra. To je rastojanje između pokretne aluminijumske membrane i fiksne elektrode, koje zajedno čine izuzetno kompaktan pločasti kondenzator – novi svetski rekord. Ova struktura namenjena je upotrebi u visoko preciznim senzorima, poput onih koji su neophodni za mikroskopiju atomskih sila, saopštio je Tehnički univerzitet u Beču.
Međutim, ovaj svetski rekord predstavlja više od impresivnog poduhvata minijaturizacije – on je deo šire strategije. Tehnički univerzitet u Beču razvija različite hardverske platforme sa ciljem da kvantnu detekciju učini jednostavnijom za upotrebu, robusnijom i svestranijom. U klasičnim optomehaničkim eksperimentima, kretanje izuzetno malih mehaničkih struktura očitava se pomoću svetlosti. Ipak, optičke postavke su osetljive, složene i teške za integraciju u kompaktne i prenosive sisteme. Zbog toga se istraživači sve više oslanjaju na druge vrste oscilacija umesto optičkih, koje su pogodnije za razvoj kompaktnih senzora.
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 isključivo fundamentalnim zakonima kvantne fizike.
Kada udarite u bubanj, njegova membrana počinje da vibrira. Zvuk koji pritom nastaje otkriva koliko je membrana čvrsto zategnuta.
– Na sličan način, na vibracije naše nanomembrane utiču različiti parametri. Naša aluminijumska membrana, zajedno sa elektrodom, formira sićušan kondenzator. U kombinaciji sa induktorom, to stvara rezonantno kolo čija je rezonanca izuzetno osetljiva na svaku promenu mehaničkih vibracija – objasnio je Danijel Plac sa Instituta za senzorske i aktuatorske sisteme Tehničkog univerziteta u Beču, koji je projekat predvodio zajedno sa Ulrihom Šmitom.
Ovo sprezanje između kretanja membrane i električnog rezonantnog kola omogućava merenje izuzetno malih vibracija. Na takva merenja obično utiče šum – neizvesnosti koje potiču iz različitih izvora. Temperatura može uneti šum, a optički ili električni signali su sami po sebi šumoviti 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 jedino zakonima kvantne fizike – i to bez oslanjanja na optičke komponente.
To ovu tehnologiju čini idealnim partnerom za mikroskopiju atomskih sila. Kod mikroskopa atomskih sila, tanak vrh se kreće neposredno iznad površine. Sićušne sile između atoma površine i vrha izazivaju vibracije – a merenje tih vibracija pruža izuzetno preciznu sliku površine.
– Optička merenja zamenjujemo merenjima električnog rezonantnog kola – potpuno bez glomaznih optičkih komponenti – objasnio je Joan Ignat, koji je na projektu radio zajedno sa Min-Hi Kvon. Oboje su trenutno doktorandi na Tehničkom univerzitetu u Beču.
Zapravo, čak ni električno rezonantno kolo nije strogo neophodno. Koristeći drugačiju strukturu, tim je pokazao da se umesto njega mogu koristiti i čisto mehanički sistemi integrisani na čipu.
– Iz perspektive kvantne teorije, ne postoji fundamentalna razlika između rada sa elektromagnetnim oscilacijama i mehaničkim vibracijama – matematički, obe se mogu opisati na isti način – rekla je Min-Hi Kvon.
Na taj način izbegava se i problem da električna rezonantna kola u kvantnoj detekciji često moraju biti hlađena na izuzetno 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. To je izuzetno, ako se ima u vidu da mnogi postojeći eksperimenti kvantne detekcije funkcionišu samo u blizini 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 neophodna za razvoj nove, pouzdane i visoko precizne generacije kvantnih senzora. Vrata kvantnog sveta sada su otvorena – uzbuđeni smo što ćemo videti šta nas tamo očekuje.
