Kølende nanorørresonatorer med elektroner

Mekaniske resonatorer er blevet brugt med stor succes som nye ressourcer inden for kvanteteknologi. Carbon nanorør mekaniske resonatorer har vist sig at være fremragende ultrahøjfølsomme enheder til undersøgelse af nye fysiske fænomener på nanoskala-niveau (f.eks. Spin-fysik, kvanteelektrontransport, overfladevidenskab, og lys-stof-interaktion).

Mekaniske resonatorer bruges ofte til at observere og manipulere kvantetilstandene ved bevægelse af relativt store systemer. Imidlertid, ulempen ligger i den termiske støjkraft, hvilken, hvis den ikke kontrolleres korrekt, ender med at fortynde enhver mulighed for at observere kvanteeffekterne. Dermed, forskere har søgt effektive metoder til at nedkøle disse systemer til kvantestyret og være i stand til at observere kvanteeffekter på efterspørgslen. En af disse fremgangsmåder har været at bruge transport af elektroner langs resonatoren til at køle systemet ned.

Mange teoretiske skemaer er blevet foreslået til afkøling af disse mekaniske resonatorer ved hjælp af forskellige elektrontransportordninger, men eksperimentelle vanskeligheder har gjort det ekstremt udfordrende med hensyn til fremstilling og måling af enheder. På trods af mange bestræbelser, kun én eksperimentel erkendelse af køling blev rapporteret for over ti år siden, hvor forskere var i stand til at afkøle systemet til et befolkningstal på 200 quanta, som er langt fra kvanteordningen.

Nu, i en ny undersøgelse offentliggjort i Naturfysik , ICFO -forskere Carles Urgell, Wei Yang, Sergio Lucio de Bonis, og Chandan Samanta, ledet af ICFO Prof. Adrian Bachtold, i samarbejde med forskere fra ICN2 i Barcelona og CNRS i Frankrig, har kunnet demonstrere et eksperiment, hvor de køler en nanomekanisk resonator ned til 4,6 +- 2,0 kvante vibrationer.

I deres undersøgelse, holdet fremstillede resonatoren ved at dyrke et carbon nanorør mellem to elektroder, hvor i det sidste trin i fremstillingsprocessen, de anvendte en kemisk dampaflejringsmetode for at minimere enhver mulig restforurening på enheden. Derefter satte de systemet i et fortyndingskøleskab og afkølede det til 70 mK. Nyheden i deres teknik lå i at anvende en konstant strøm af elektroner gennem resonatoren. Når der blev påført en konstant strøm på resonatoren, elektronernes elektrostatiske kraft påvirker vibrationernes dynamik. Disse modificerede vibrationer reagerer tilbage på elektronerne, lave en lukket sløjfe med en begrænset forsinkelse. Denne tilbagevirkning af elektronerne på vibrationerne kan bruges til at forstærke eller reducere de termiske vibrationsudsving. I sidstnævnte tilfælde, de brugte det til at køle systemet ned for at reducere udsvingene i termisk forskydning, giver dem mulighed for at nærme sig den kvantestyrelsesgrænse, der er nævnt før, med et befolkningstal, der aldrig før er set i forhold til tidligere arbejde.

Resultaterne af undersøgelsen har bekræftet, at denne metode er en glimrende og meget enkel måde at afkøle nanomekaniske resonatorer, hvilket kunne være af største betydning for forskere, der arbejder inden for nanomekanik og kvanteelektontransport, da det vil blive en stærk ressource til kvantemanipulation af mekaniske resonatorer.