Создан самый миниатюрный в мире конденсатор

Но этот мировой рекорд — не просто впечатляющий результат миниатюризации, это часть более масштабной стратегии. Венский технический университет разрабатывает различные аппаратные платформы, чтобы сделать квантовые датчики более простыми в использовании, надёжными и универсальными. В обычных оптомеханических экспериментах движение крошечных механических структур считывается с помощью света. Однако оптические установки хрупкие, сложные, и их трудно интегрировать в компактные портативные системы. Поэтому Венский технический университет использует другие типы колебаний, которые лучше подходят для компактных датчиков.

В рекордной по размерам конструкции с 32-нанометровым конденсатором эту роль выполняет электрическая резонансная цепь. В других экспериментах команда Венского технического университета использует чисто механические резонаторы, колебания которых можно намеренно синхронизировать.

Обе платформы преследуют одну и ту же цель: усовершенствовать механические и электромеханические наноструктуры до такой степени, чтобы однажды с их помощью можно было проводить измерения, ограниченные только фундаментальными законами квантовой физики.

Когда вы ударяете по барабану, его мембрана вибрирует. Звук, который она издает, показывает, насколько сильно она натянута. «Точно так же на колебания нашей наномембраны влияют различные параметры», — объясняет Даниэль Платц из Института сенсорных и исполнительных систем Венского технического университета, который руководил проектом вместе с Ульрихом Шмидом.

«Наша алюминиевая мембрана вместе с электродом образует крошечный конденсатор. В сочетании с катушкой индуктивности он создаёт резонансный контур, резонанс которого чрезвычайно чувствителен к любым изменениям в механических колебаниях.»

Такая связь между движением мембраны и электрической резонансной цепью позволяет измерять чрезвычайно слабые вибрации. Как правило, на такие измерения всегда влияет шум — неопределённость, возникающая из-за различных источников. Шум может быть вызван температурой, а оптические или электрические сигналы по своей природе являются зашумлёнными, поскольку состоят из дискретных частиц.

Хотя оптические методы измерения в принципе могут быть очень точными, разработанные в Венском техническом университете структуры обеспечивают превосходную шумовую характеристику, ограниченную только законами квантовой физики, без использования оптических компонентов.

Это делает технологию идеальным инструментом для атомно-силовой микроскопии. В атомно-силовом микроскопе тонкий наконечник перемещается над поверхностью. Крошечные силы, возникающие между атомами поверхности и наконечника, вызывают колебания. Измерение этих колебаний позволяет получить чрезвычайно точное изображение поверхности.

На самом деле даже электрическая резонансная схема не является строго необходимой. Используя другую структуру, команда продемонстрировала, что вместо неё можно использовать полностью механические системы, интегрированные в чип. «С точки зрения квантовой теории нет принципиальной разницы, работаете ли вы с электромагнитными колебаниями или с механическими вибрациями — математически и то, и другое можно описать одинаково», — говорит исследователь Манхи Квон.

Это также позволяет избежать проблемы, связанной с тем, что электрические резонансные схемы в квантовых датчиках часто необходимо охлаждать до экстремально низких температур. «Даже при комнатной температуре колебания чисто микромеханической системы могут быть связаны в диапазоне частот в гигагерцах без того, чтобы тепловой шум подавлял эффекты связи, — говорит Даниэль Платц — Это примечательно, поскольку многие существующие квантовые датчики работают только при температуре, близкой к абсолютному нулю.

Источник