Данські фізики повідомили про створення електромеханічного пристрою, що складається з мембрани, пов'язаної з мікрохвильовим резонатором, в якому їм вдалося досягти часу когерентності механічного коливання рівного 140 мілісекундам. Для цього вони охолоджували мембрану за допомогою методу бічної смуги, домігшись середнього числа фононів рівного 0,76. Дослідження опубліковано в.
Перехід від класичної картини світу до квантової передбачає кілька змін. Одним з них стало квантування деяких хвильових процесів, наприклад, світла або звуку, що призвело до введення відповідних елементарних (квазі) частинок: фотонів і фононів, відповідно. Однак квантовий характер можуть мати навіть системи, що складаються з великої кількості частинок. У цьому випадку мова йде про відхилення їх розподілу від гауссового. До некласичних станів світла, звуку або інших форм полів можна віднести стани, в яких збуджена тільки одна мода, або стану «кота Шредінгера», які являють собою квантову суперпозицію класичних розподілів.
Некласичні стани, однак, прагнуть термалізуватися, тобто повернути собі гаусову статистику за рахунок взаємодії з оточенням. Час, протягом якого живуть ці статки, називається часом когерентності. Його фізики намагаються зробити настільки великим, наскільки можливо. Це необхідно для потреб різноманітних квантових технологій. Наприклад, охолодження масивних 40-кілограмових дзеркал детектора гравітаційних хвиль LIGO, яке виражається через переведення їх в основний коливальний стан, здатне поліпшити точність реєстрації.
Але найпростіше фізикам працювати з об'єктами поменше. Найбільший інтерес для них представляють механічні мембрани, пов'язані з оптичним або мікрохвильовим випромінюванням. Ми вже розповідали, як за допомогою лазера вчені навчилися відбирати у мембран один або кілька фононів при кімнатній температурі. Сьогодні часи когерентності в таких пристроях не перевищують однієї мілісекунди, і дослідники активно шукають шляхи їх збільшення.
Група фізиків з Копенгагенського університету під керівництвом Альберта Шліссера (Albert Schliesser) повідомила про те, що їм вдалося перевести механічну мембрану в стан близький до основного коливального із середнім числом фононів менше одиниці. Для цього вчені пов'язували її з мікрохвильовим резонатором і охолоджували методом бічної смуги. Аналізуючи ефективність охолодження, вони дійшли висновку, що час когерентності такого стану сягає 140 мілісекунд.
Метод бічної смуги стосовно електромеханічної системи, до якої належить досліджувана мембрана, полягає в накачуванні системи частотою, відбудованою від основної частоти мікрохвильового резонатора рівно на частоту механічної моди мембрани. Це буде призводити до порушення резонансу за рахунок гасіння окремих фононів. Якщо швидкість гасіння, пропорційна квадрату константи зв'язку між мембраною і резонатором, багато менше, ніж ширина механічної моди, зникнення фононів швидко компенсується надходженням енергії з навколишнього простору. В іншому ж випадку можна досягти нової рівноваги, при якій температура мембрани і число фононів в ній буде істотно менше. На практиці це можна визначити, вимірюючи спектр бічної смуги мікрохвильового випромінювання.
Для реалізації цієї ідеї фізики виготовляли плівку з нітриду кремнію товщиною 63 нанометри, перфоровану періодично таким чином, щоб сформувати з неї почесний фононний кристал. У середині цієї плівки дослідники формували дефект діаметром кілька сотень мікрометрів, що за формою нагадує квітку лотоса. Цей дефект був спроектований таким чином, щоб створити посеред фононної забороненої зони рівно одну механічну моду з частотою 1,486 мегагерц.
Невеликий квадрат розміром 60 на 60 мікрометрів у центрі дефекту автори покривали шаром алюмінію товщиною 50 нанометрів. Під плівкою вони мали LC-контур з резонансом на частоті 8,349 мегагерц. Коливання мембрани через алюмінієвий квадрат передавалися на ємність контуру, за рахунок чого утворювався електромеханічний зв'язок.
Фізики підключали до установки кріостат з керованою температурою. З його допомогою вони відкалібрували метод бічної смуги, зв'язуючи площу під спектром з температурою і числом фононів. Вони також визначили, що при температурі кріостату 30 мілікельвін добротність мембрани становить 1,5 ст.1 109, що на порядок вище попереднього рекорду.
Нарешті, фізики досліджували залежність середньої кількості фононів у мембрані від потужності накачування. При деякому її значенні залежність мала мінімум рівний 0,76 0,16 фононам. Подальше зменшення цієї величини обмежене, на думку авторів, ефективністю віброізоляції і шумом мікрохвильового резонатора. Отримані дані дозволили їм оцінити час когерентності такого стану, який виявився рівним 140 мілісекундам.
Раніше ми розповідали, як фізики квантово заплутали коливання двох механічних мембран, схожим чином вбудованих в електричні ланцюги.