Квантові резонатори порушують теплове правило

Дослідники виявили нерівномірний розподіл температури в мікромеханічних резонаторах, що впливає на їх дизайн і продуктивність у квантовій науці та точному вимірюванні. Вимірюючи незначні зміни таких величин, як сили, магнітні поля, маси малих частинок або навіть гравітаційні хвилі, фізики використовують мікромеханічні резонатори, які діють як камертони, резонуючи на певних частотах. Традиційно вважалося, що температура в цих пристроях є рівномірною.

Змінність температури в резонаторах

Однак нове дослідження, проведене співробітником JILA та професором фізики Університету Колорадо в Боулдері Сінді Регал та її командою, доктором Равідом Шанівом і аспірантом Крісом Рітцем, виявило, що в конкретних сценаріях, таких як передові дослідження взаємодії між світлом і механічними об’єктами, температура може відрізнятися в різних частинах резонатора, що призводить до несподіваної поведінки. Їхні спостереження, опубліковані в Physical Review Research, потенційно можуть революціонізувати дизайн мікромеханічних резонаторів для квантових технологій і точного зондування.

«У квантових наукових експериментах розуміння наслідків цієї різниці температур дозволить вам генерувати свій механічний квантовий стан з кращою точністю та зберігати його незміненим довше, що є важливими відправними точками для квантових застосувань», — розкрив науковий співробітник JILA та перший автор Равід Шанів.

Режими вимірювачів хвилин

Завдяки своїй гнучкій конструкції мікромеханічні резонатори є стандартним інструментом у багатьох різних галузях фізики. Ці пристрої часто виготовляються з кремнію або подібних матеріалів і можуть приймати різні форми: балки, консолі, мембрани або диски. Їх невеликий розмір дозволяє їм коливатися на високих частотах, часто в діапазоні від мегагерц (МГц) до гігагерц (ГГц).
Універсальність конструкції мікромеханічного резонатора також дозволяє фізикам точно налаштовувати їх коливання. Подібно до того, як гітарна струна може вібрувати кількома способами (коли вся струна рухається вперед-назад або лише її частини коливаються, а решта залишається нерухомою), мікромеханічні резонатори можуть коливатися в різних моделях або «режимах». Найвідомішим режимом є основний режим, коли вся структура рухається в унісон. Але є також моди вищого порядку, де інші частини резонатора рухаються за більш складними схемами.

Щоб виміряти рух резонатора, фізики використовують лазерні промені. Резонатор діє як «рухоме дзеркало», і лазерне світло, яке відбивається, несе інформацію про його положення. У порівнянні зі світлом, яке відбивається від окремого фіксованого дзеркала, виникає інтерференційна картина, що показує рух резонатора з надвисокою точністю.

Протягом багатьох років спостережень за цими модами оптично та обговорення їх з іншими фізиками Шанів і Регал зрозуміли дещо цікаве. «Люди помітили, що деякі з цих режимів демонструють більше теплового руху, ніж інші», — сказав Шанів. «Як правило, люди хочуть максимально усунути цей рух, оскільки він може затьмарити будь-який незначний ефект, який вони хочуть відчути».

Фізики припустили, що цей надлишок теплового руху може бути пов’язаний з тим, що резонатор поглинає лазерне світло у вигляді тепла. Різні режими резонатора можуть мати різні моделі руху, що призводить до різних областей напруги або деформації, які, своєю чергою, можуть призвести до різних величин теплового руху.

У багатьох спостереженнях чим складніший режим резонатора, тим більше його теплова енергія відхиляється від попередніх теорій, які припускали, що температура для кожного режиму була однаковою. Шанів продовжив: «Ми хотіли відстежити причину цього та як можна досягти оптимального дизайну для цих режимів».

Створення температурних профілів

Щоб глибше зануритися в цю температурну загадку, Шанів і Регал створили спеціальні температурні профілі для кожного режиму. Для цього дослідники використовували «фононний кристал», що складається з нітриду кремнію. Кристал діяв як ігровий майданчик, де дослідники могли проектувати режими резонатора та генерувати різні температурні профілі, що дозволяло їм спостерігати індукований тепловий рух кожного режиму резонатора.

Щоб створити температурний профіль, команда нагріла точку на кристалі до дуже високих температур, утримуючи край резонатора при кімнатній температурі. Після того, як було розроблено профіль і виміряно тепловий рух, дослідники виявили кілька досить цікавих результатів. Залежно від геометрії моди, деякі моди демонстрували підвищений тепловий рух, тоді як, навіть якщо частини резонатора були надзвичайно гарячими, інші демонстрували лише помірне нагрівання, а деякі не виявляли нагрівання взагалі. «Повертаючи ручку до упору під час експерименту, ви могли побачити цю разючу різницю», — уточнив Регал.

Шанів продовжив: «Дивлячись на ці дійсно великі різниці температур між модами, ми змогли побудувати температурний профіль резонатора безпосередньо з виміряного теплового руху та навіть знайти деякі параметри матеріалу, які зазвичай непросто оцінити, наприклад, коефіцієнт випромінювання, тобто скільки випромінювання випромінює наш пристрій».
Побачивши, які режими корелюють з різними тепловими рухами, команда могла почати передбачати, як продуктивність резонаторів може змінюватися залежно від їх режиму. Як пояснив Рігал: «Наступним природним кроком буде запитати, чи можна використати ці концепції не лише для розуміння того, як підтримувати резонатори холодними для квантових досліджень, а й для термодатування».

Проектування кращих резонаторів

Завдяки отриманим знанням наукові та інженерні спільноти могли б досягти значних успіхів у розробці та застосуванні цих мініатюрних, але надзвичайно важливих пристроїв. «Ми фактично дали в нашому документі реальну цифру заслуг, з якою групи можуть працювати в цьому напрямку», – уточнив Шанів. «Наприклад, тепер у нас є певний параметр, який можна ввести як обмеження в комп’ютер і спробувати створити найкращий можливий резонатор».