Студопедия
Обратная связь


Авиадвигателестроения Административное право Административное право Беларусии Алгебра Архитектура Безопасность жизнедеятельности Введение в профессию «психолог» Введение в экономику культуры Высшая математика Геология Геоморфология Гидрология и гидрометрии Гидросистемы и гидромашины История Украины Культурология Культурология Логика Маркетинг Машиностроение Медицинская психология Менеджмент Металлы и сварка Методы и средства измерений электрических величин Мировая экономика Начертательная геометрия Основы экономической теории Охрана труда Пожарная тактика Процессы и структуры мышления Профессиональная психология Психология Психология менеджмента Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении Социальная психология Социально-философская проблематика Социология Статистика Теоретические основы информатики Теория автоматического регулирования Теория вероятности Транспортное право Туроператор Уголовное право Уголовный процесс Управление современным производством Физика Физические явления Философия Холодильные установки Экология Экономика История экономики Основы экономики Экономика предприятия Экономическая история Экономическая теория Экономический анализ Развитие экономики ЕС Чрезвычайные ситуации ВКонтакте Одноклассники Мой Мир Фейсбук LiveJournal Instagram 500-летие Реформации

Загрузка...

Квантовый осциллятор на базе электромеханического резонатора

<== предыдущая статья | следующая статья ==>

 

Квантовый и классический "миры" не разделены непреодолимой пропастью - должен существовать постепенный переход от одного к другому. Исследование перехода от классического к квантовому привлекает большое внимание учёных. Если иметь дело с механическим осциллятором, то, уменьшая его размеры, вправе ожидать, что при определённых условиях должен произойти переход от классического поведения к квантовому: из-за дискретности энергетического спектра амплитуда колебаний осциллятора сможет принимать только определённые значения, что совершенно не характерно для классического механического осциллятора.

Однако в реальности наблюдать переход от классического поведения к квантовому в случае достаточно большого объекта - задача очень непростая: поскольку состояние квантовой системы легко может быть разрушено в процессе взаимодействия с окружением, реализовать подобную микроскопическую или мезоскопическую систему, которая демонстрировала бы квантовые свойства, очень сложно. В случае механического осциллятора достаточно уже того, чтобы энергетический зазор между уровнями энергии гармонического осциллятора был существенно меньше характерной тепловой энергии, чтобы поставить крест на возможности наблюдать квантовое поведение осциллятора. Соответственно, чтобы это стало возможным, помимо малых размеров нужны, как минимум, очень низкие температуры и достаточно высокие собственные частоты колебаний.

При частоте колебаний механического осциллятора (например, тонкого кремниевого бруска) порядка 1 ГГц требуются температуры порядка 50 мК, чтобы можно было ожидать перехода к квантовому режиму колебаний (). Однако, чтобы собственная частота колебаний стала столь велика, все размеры механического осциллятора должны быть в субмикронном диапазоне, что существенно затрудняет возможность регистрации смещения бруска из положения равновесия. Чтобы преодолеть это затруднение, учёные из Бостонского университета создали микроскопический механический осциллятор достаточно хитрой формы. С помощью электронной литографии была изготовлена структура, напоминающая по форме антенну или двустороннюю расчёску: длина собственно кремниевого бруска - 10.7 мкм, ширина - 400 нм ширина; для "зубчиков" длина и ширина составляют 500 нм и 200 нм, соответственно; общая толщина структуры 245 нм: 185 нм - толщина кремния, 60 нм - толщина напылённого на кремний золотого электрода.

Рис. 12.2 Изображение механического наноосциллятора, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (а), схематическое изображение низкочастотных колебаний осциллятора (б) и коллективной моды колебаний на высоких частотах.

Подобная форма осциллятора приводит к появлению двух типов колебательных мод: низкочастотных, соответствующих колебанию конструкции как целого (рис. 12.2b), и коллективных высокочастотных, когда колебания "зубчиков" (для которых собственная частота превышает 1 ГГц) в фазе вызывают колебания всей конструкции как целого (рис. 12.2c). Конструкцию помещали внутрь криостата со сверхпроводящим магнитом на 16 Тл, а колебания возбуждали, пропуская переменный ток через золотой электрод, в результате чего на структуру действовала сила Лоренца. Измеряя падение напряжения на золотом электроде, которое в таких условиях пропорционально смещению структуры, исследователи могли следить за колебаниями механического осциллятора. Когда частота вынуждающей силы совпадает с одной из собственных частот колебаний системы, должен иметь место резонанс, т.е. амплитуда колебаний осциллятора должна возрастать, что можно зафиксировать по изменению максимального напряжения.

Рис. 12.3 Зависимость максимального напряжения (соответственно, амплитуды колебаний) от частоты вынуждающей силы вблизи резонанса (а) и от напряженности магнитного поля (б) при температуре - 1 К.

При работе в низкочастотной области (21 МГц) при температуре 60 мК исследователи видели чисто классическую картину - амплитуда колебаний осциллятора постепенно увеличивалась по мере того, как росло магнитное поле (и, соответственно, увеличивалась сила, действующая на структуру). Такую же картину учёные наблюдали и при работе на частоте, совпадающей с собственной частотой высокочастотной коллективной моды (около 1,5 ГГц) при температуре 1 К (рис. 12.3). Однако, при понижении температуры до 110 мК (при такой температуре kT становится сопоставима с энергией кванта и можно ожидать проявления квантового характера колебаний) исследователи наблюдали качественно иную картину: непрерывного изменения амплитуды колебаний при изменении поля не происходило! Вместо этого происходили скачки напряжения между двумя определёнными значениями при изменении магнитного поля - рис. 12.4. Подобные скачки можно интерпретировать как переходы квантового осциллятора между основным и первым возбуждённым состоянием.

Рис. 12.4 Зависимость максимального напряжения (соответственно, амплитуды колебаний) от частоты вынуждающей силы вблизи резонанса (а) и от напряженности магнитного поля (б) при температуре - 110 мК.

Хотя учёные проявляют осторожность, подчёркивая, что пока ещё рано однозначно интерпретировать результаты экспериментов как проявление квантового поведения макроскопического механического осциллятора ("расчёска" состоит примерно из 50 миллиардов атомов кремния), тем не менее, не исключено, что им действительно удалось прикоснуться к грани, разделяющей квантовый и классический миры. В рассмотренном эксперименте, возможно впервые, удалось наблюдать квантовое поведение механического осциллятора микронных размеров.

Можно ожидать, что применение достижений нанотехнологий в измерительной технике, в частности, при разработке первичных измерительных преобразователей на базе сверхминиатюрных, сверхвысокочастотных электромеханических резонаторов позволит совершить качественный скачок в приборостроении. Например, устройства такого типа будут характеризоваться сверхвысокой чувствительностью, не достижимой современными измерительными средствами. Но создание датчиков нового поколения с использованием квантовых осцилляторов потребует разработки теоретических основ их построения, технологии изготовления, применения специальной электроники и т.п.

<== предыдущая статья | следующая статья ==>





 

Читайте также:

Физическая природа туннельного эффекта

Эффект плазмон-экситонного взаимодействия

Применение явления сверхпроводимости в измерительной технике

Механорецепторы

Нисходящее торможение (усиление). Механизм отрицательной обратной связи. Механизм положительной обратной связи. Многоканальность.

Амперометрический анализатор

Площадь рецептивных полей сенсорных нейронов

Плёнки Ленгмюра-Блоджет (ЛБ - плёнки) хорошо видны в атомно-силовой микроскоп

Интерференционные и дифракционные явления при движении частиц

Оже-спектроскопия

Компрессоры импульсов

Производство и методы очистки кантилеверов

Вернуться в оглавление: Физические явления

Просмотров: 1463

 
 

54.80.30.49 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.