Время когерентности механического колебания превысило сто миллисекунд

Датские физики сообщили о создании электромеханического устройства, состоящего из мембраны, связанной с микроволновым резонатором, в котором им удалось достичь времени когерентности механического колебания равного 140 миллисекундам. Для этого они охлаждали мембрану с помощью метода боковой полосы, добившись среднего числа фононов равного 0,76. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Переход от классической картины мира к квантовой предполагает несколько изменений. Одним из них стало квантование некоторых волновых процессов, например, света или звука, что привело к введению соответствующих элементарных (квази)частиц: фотонов и фононов, соответственно. Однако квантовый характер могут иметь даже системы, состоящие из большого числа частиц. В этом случае речь идет об отклонении их распределения от гауссового. К неклассическим состояниям света, звука или иных форм полей можно отнести состояния, в которых возбуждена только одна мода, или состояния «кота Шрёдингера», которые представляют собой квантовую суперпозицию классических распределений.

Неклассические состояния, однако, стремятся термализоваться, то есть вернуть себе гауссову статистику за счет взаимодействия с окружением. Время, в течение которого живут эти состояния, называется временем когерентности. Его физики стараются сделать настолько большим, насколько возможно. Это необходимо для нужд разнообразных квантовых технологий. Например, охлаждение массивных 40-килограммовых зеркал детектора гравитационных волн LIGO, которое выражается через перевод их в основное колебательное состояние, способно улучшить точность регистрации.

Но проще всего физикам работать с объектами поменьше. Наибольший интерес для них представляют механические мембраны, связанные с оптическим или микроволновым излучением. Мы уже рассказывали, как с помощью лазера ученые научились отбирать у мембран один или несколько фононов при комнатной температуре. Сегодня времена когерентности в таких устройствах не превышают одной миллисекунды, и исследователи активно ищут пути их увеличения.

Группа физиков из Копенгагенского университета под руководством Альберта Шлиссера (Albert Schliesser) сообщила о том, что им удалось перевести механическую мембрану в состояние близкое к основному колебательному со средним числом фононов меньше единицы. Для этого ученые связывали ее с микроволновым резонатором и охлаждали методом боковой полосы. Анализируя эффективность охлаждения, они пришли к выводу, что время когерентности такого состояния достигает 140 миллисекунд.

Метод боковой полосы применительно к электромеханической системе, к которой относится исследуемая мембрана, заключается в накачке системы частотой, отстроенной от основной частоты микроволнового резонатора ровно на частоту механической моды мембраны. Это будет приводить к возбуждению резонанса за счет гашения отдельных фононов. Если скорость гашения, которая пропорциональна квадрату константы связи между мембраной и резонатором, много меньше, чем ширина механической моды, исчезновение фононов быстро компенсируется поступлением энергии из окружающего пространства. В противном же случае можно достичь нового равновесия, при котором температура мембраны и число фононов в ней будет существенно меньше. На практике это можно определить, измеряя спектр боковой полосы микроволнового излучения.

Для реализации этой идеи физики изготавливали пленку из нитрида кремния толщиной 63 нанометра, перфорированную периодически таким образом, чтобы сформировать из нее двумерный фононный кристалл. В середине этой пленки исследователи формировали дефект диаметром несколько сотен микрометров, по форме напоминающий цветок лотоса. Этот дефект был спроектирован таким образом, чтобы создать посреди фононной запрещенной зоны ровно одну механическую моду с частотой 1,486 мегагерц.

Небольшой квадрат размером 60 на 60 микрометров в центре дефекта авторы покрывали слоем алюминия толщиной 50 нанометров. Под пленкой они располагали LC-контур с резонансом на частоте 8,349 мегагерц. Колебания мембраны через алюминиевый квадрат передавались на емкость контура, за счет чего образовывалась электромеханическая связь.

Физики подключали к установке криостат с управляемой температурой. С его помощью они откалибровали метод боковой полосы, связывая площадь под спектром с температурой и числом фононов. Они также определили, что при температуре криостата 30 милликельвин добротность мембраны составляет 1,5 × 10⁹, что на порядок выше предыдущего рекорда.

Наконец, физики исследовали зависимость среднего числа фононов в мембране от мощности накачки. При некотором ее значении зависимость имела минимум равный 0,76±0,16 фононам. Дальнейшее уменьшение этой величины ограничено, по мнению авторов, эффективностью виброизоляции и шумом микроволнового резонатора. Полученные данные позволили им оценить время когерентности такого состояния, которое оказалось равным 140 миллисекундам.

Ранее мы рассказывали, как физики квантово запутали колебания двух механических мембран, похожим образом встроенных в электрические цепи.

Марат Хамадеев