NANOMECHANIKAI RENDSZEREK OTT, AHOVA A

KVANTUM-KLASSZIKUS HATÁRT VÁRJUK

Egyre könnyebb nanomechanikai oszcillátorok - rajtuk a megfigyeléstsegítő tükörrel - és egyre hatékonyabb hűtési technikák segítségével elérhető közelségbe került az az idő, amikor már emberkéz gyártotta tárgyak mozgásán is megfigyelhetők lesznek azok a kvantummechanikai sajátságok, amelyeket eddig csak tíz nagyságrenddel könnyebb molekulákon láttak.

Hol a határ kvantumos és klasszikus között?

WKB? Attól még megmarad az interferencia!

Összefonódás a környezettel → dekoherencia (Zeh, Zurek)

Kollapszus? A véletlenszerűség eredete? Mi miért függ mitől? Hol kezdődik a makroszkópikus világ?

a macska sem …

félvezető nanostruktúrák

méret?

nano(elektro)mechanikai oszcillátoroktömeg?

pdf letöltés: nano.caltech.edu/publicat.html

atom- és molekula interferométer: méterek!

a) rezgő nyelv + egy-elektron tranzisztor (20 MHz)

b) 1 elektron spinjét érzékelő mágneses erőmérő

c) torziós rezonátor, Casimir-erő és rövidtávú gravitáció mérésére

d) 1000-szeres mechanikai mozgáserősítő

e) rezgő nyelv + egy-elektron tranzisztor (116 MHz)

f) hangolható szén nanocső rezonátor (3-300 MHz)

Az ezredforduló óta: NANOMECHANIKAI ESZKÖZÖK KVANTUMOS VISELKEDÉSE?

oszcillátorok az alapállapot közelében: kT/ħω ~1

nagy frekvencia – kis hűtés, kis frekvencia – nagy hűtés

- de nem mindenre jó

Kicsi elmozdulásokat kell detektálni, de ez nem elég a kvantumosság vizsgálatához!

A MINIMÁLIS SÉMA A SCHRÖDINGER-MACSKA:

oszcillátor és kétállapotú rendszer összecsatolva

Schrödinger-macskákÉlő és halott szuperpoziciója, összefonódva azzal, hogyegy radioaktív atom már elbomlott (↓) , ill. még nem bomlott el (↑) :

Hogy lehet a szuperpoziciót megfigyelni? Interferenciában, ezt azonban zavarja az összefonódás! Yurke-Stoler PRL 1986: ez megszüntethető optikai forgatással:

ezt detektáljukKísérletek „mezoszkópikus” rendszerekkel!

Tükör-foton csatolás

átadott impulzus pattogási frekvencia

a fénynyomás munkavégzése!

rezeg a tükör

C.K.Law 1994

OPTOMECHANIKA: NANOOSZCILLÁTOR -- FOTON CSATOLÁS

(ADIABATIKUS!)

optikai detektálás

ezt használja az

atomi erő mikroszkóp (AFM)

Fény, mint kétállapotú kvantumrendszer: a Marshall-Simon-Penrose-Bouwmeester projekt

foton-tükör csatolás

B

A

PRL 91, 130401 (2003)

félvezető egy-elektron tranzisztor: SET(más néven: kvantumpötty: QD) kapacitív csatolásban

AMIHEZ MÉG CSATOLHATJUK A NANOOSZCILLÁTORT:

kétállapotú kvantumrendszerek (QUBITEK)

két állapot töltéskvantálással: van vagy nincs benne elektron

Direktebb megfigyelés, de zajosabb szilárdtest-rendszer

…, Armour, Clerk, Blencowe, Schwab Nature 2006 szept.

hűtés a kvantummérés visszahatásával, ½ Kelvinre

Szupravezető egy-elektron tranzisztor árama méri a nanooszcillátor rezgését (töltéskvantálás, kapacitív csatolás)

Cooper-pár doboz vezérli a nanomechanikai oszcillátor állapotát

alternatíva: nagy szupravezető áramkörökben nem a töltés, hanem a mágneses fluxus kvantálódik

(a kettő kombinálható is)

gyémánt NV centrum

SiC nanoszál végén

Arcizet et al, Nature Physics 2011 szept.

Kritikus mozzanat: a HŰTÉS !

sebességfüggő fénynyomás ~ csillapítás, melegítés nélkül!

késleltetés, nem memória!

1

A késleltetett fény által okozott súrlódás

Metzger & Karrai 2004

(nem csak fény)

„aktív hűtés” a mozgás letapogatásán alapuló visszacsatolással

Maxwell-démon

Doppler-hűtés

ΓΩ ω

ωvħK

Ω<ωlézer

ioncsapdában: OLDALSÁV-HŰTÉS a transzlációból kvantált rezgés lesz,

az elektronszintek rezgési alnívókat kapnak

Atomok-ionok lézerhűtése:

A felvett energiát le kell adni spontán emisszióval,az impulzus csökken

5 4 3 2 1 0

5 4 3 2 1 0

STIMULÁLT RAMAN: a rezonanciától elhangolva, azonnali visszapattanással 2

lézer kell hozzá, ~10 Ghz, de 100 Khz-re pontos!

GHz („hordozó”): hiperfinom alszintek

rezgés: ~10 MHz

Itt az energia is csökken

Oldalsáv-hűtés optomechanikábanSchliesser et al (Max Planck, Garching, Nature Phys. 2008)

A gerjesztett optikai módus kiürül a környezet felé;a hűtött mechanikai módust a környezet melegíti …

Klasszikusan is működik: a Doppler-hűtésben a sebesség oszcillál… (lásd: Domokos Péter honlapján: „Lézerhűtés” jegyzet)

Hűtés alapállapotig lézer nélkül, héliumhígítós hűtővel 6 GHz, 0.25 mK

O’Connell et al., Nature 464, 697 (2010 április 1 (!))

hűtés nem, de állapotmérés-preparálás Josephson fázis-qubittel

Rezonáns energiaátadás a qubit és az oszcillátor között, a qubitről leolvasva

Rossz hír: klasszikus oszcillátorral ugyanúgy megy…

Al NPiezoelektromos csatolás!

azt mutatja, hogy az ELEKTRONOK kvantumosan viselkednek ν frekvenciájú perturbáció hatására, NEM IGAZOLJA A FOTONOK LÉTÉT!

Itt? A Josephson qubit kvantált. Hát az oszcillátor? KI TUDJA?

A kritikus feladat: A KVANTUMÁLLAPOT MEGHATÁROZÁSA („REKONSTRUKCIÓJA”) ÉS PREPARÁLÁSA!

Teufel et al., Nature 2011 július: rezgő fedelű szupravezető üreg,mech. 10 MHz, el.mn. 7.5 GHz, 15 mK He-hígítással oldalsáv-hűtés 0.3 ħω-ig : 0.1 mK-re

Chan,…,Gröblacher,Aspelmeyer,Painter (Caltech+Bécs) Nature 2011 október 6

Si fotonikus kristály hibrid szigetelő alapú mikrochipen, foton (200THz) ÉS fonon (4 GHz) Bragg-szórás,

középen lokalizáció, körül 2D tilossáv

Oldalsáv lézerhűtés20 K-ről 0.1 K-re:fononszám 0.8

≈ 100 Hz

Nem-klasszikus állapotok preparálásához (Schrödinger macskák, préselt állapotok stb.) ERŐS CSATOLÁS kell, hogy befejeződjön, mielőtt a DEKOHERENCIA elmossa

Egy út az erős csatolás elérésére:• gyors eltolás az egyensúlytól • egy elkerült keresztezés kiválasztása

Sankey, …, Harris: Nature Phys. 6, 707 (2010)

A mechanical súrlódás és a velejáró zaj elmélete? ”fonon tunnelezés” (Wilson-Rae, PRB 77, 245418 (2008), arXiv:1007.4948) FAPP univerzális ??

Az oszcillátor felfüggesztése szűk hullámvezető a fononoknak

c sebességű hanghullámok d átmérőjű hullámvezetőben:

a hullámterjedés küszöbfrekvenciája c/d

→ ħc/d energia-gát a fononok számára

Küszöb alatti fononok csak alagutazással jutnak át

Csapdázott hideg gázok

1. Csapdázott hideg gázok csatolása nanomechanikai oszcillátorhoz

…,Hänsch,…, PRL 99,140403(2007) javaslata: spines BEC csatolódik egy atomchipre integrált nanooszcillátor mágneses hegyéhez, a nanooszcillátor érzékeli a kondenzátum rezgési módusait

Ugyanők, arXiv:1003.1126 kísérlet: nem mágneses, hanem felületi erők

A mágneses csatolással két nanooszcillátort összefonni? PRA 82,043846( 2010)

2. Csapdázott kondenzátum tömegkp, mint nanomechanikai oszcillátor

BEC Science 322,235(2008) ETH Zürich

Kvantummérés visszahatással → hűtés(Berkeley, Nature Phys. 4,561(2008)

3. Dielektromos golyó (gyöngyszem) LEVITÁCIÓJA kétmódusú optikai csipesszel

nincs mechanikai felfüggesztés, de van zaj a lézerektől+ Casimir erő; gyenge csapda → lágy oszcillátor

Li,Kheifets,Raizen, Nature Phys. 7,527(2011),arXiv:1101.1283v2

Sok elméleti cikk 2010 óta, többnyire benne van O. Romero-Isart

hűtés1.5 mK -ig (kT/ħω≈3000)

ÖSSZEFOGLALÁS• a minden repülő molekulánál nehezebb, de

minden eddigi emberkéz gyártotta tárgynál könnyebb mozgó testek világa nem csak hasznos, de a kvantumvilág mélyebb megértését is ígéri;

• jobbnál jobb laboratóriumokban versengve építik a könnyűnél is könnyebb, hidegnél is hidegebb eszközöket; tükröket, NV-ket, Josephson és egyéb qubiteket aggatva rájuk, hogy lássuk és vezéreljük a mozgásukat;

• kíváncsi teoretikusok ugyancsak versengve próbálják megérteni, hogy mozognak, és megjósolni, hogy fognak mozogni holnapután