Físicos do Laboratório de Baixa Temperatura da Universidade Aalto mostraram como um oscilador nanomecânico pode ser usado para detecção e amplificação de ondas de rádio fracas ou micro-ondas.

Uma medição usando um dispositivo tão pequeno, semelhante a uma corda miniaturizada de violão, pode ser realizada com o menor distúrbio possível. Os resultados foram recentemente publicados na mais prestigiada arena científica, a revista britânica Nature.

Os pesquisadores resfriaram o oscilador nanomecânico, mil vezes mais fino que um fio de cabelo humano, até uma temperatura baixa próxima ao zero absoluto, a -273 graus Celsius. Sob tais condições extremas, até mesmo objetos de tamanho quase macroscópico seguem as leis da física quântica, que frequentemente contradizem o bom senso. Nos experimentos do Laboratório de Baixa Temperatura, os quase bilhões de átomos que compõem o ressonador nanomecânico estavam oscilando em ritmo em seu estado quântico compartilhado.

Os cientistas fabricaram o dispositivo em contato com um ressonador de cavidade supercondutor, que troca energia com o ressonador nanomecânico. Isso permitia amplificar o movimento ressonante deles. Isso é muito parecido com o que acontece em um violão, onde a corda e a câmara de eco ressoam na mesma frequência. Em vez do músico tocar a corda do violão, a fonte de energia era fornecida por um laser de micro-ondas.

Micro-ondas são amplificadas pela interação de oscilações quânticas
Pesquisadores do Laboratório de Baixa Temperatura da Universidade Aalto mostraram como detectar e amplificar sinais eletromagnéticos quase sem ruído usando um fio mecânico vibratório semelhante a uma corda de violão. No caso ideal, o método adiciona apenas a quantidade mínima de ruído exigida pela mecânica quântica.

Os amplificadores de transistores semicondutores atualmente usados são dispositivos complexos e barulhentos, e operam longe de um limite fundamental de distúrbios estabelecido pela física quântica. Os cientistas do Laboratório de Baixa Temperatura mostraram que, ao aproveitar o movimento ressonante quântico, a radiação de micro-ondas injetada pode ser amplificada com pouca perturbação. O princípio, portanto, permite detectar sinais muito mais fracos do que o habitual.

Qualquer método ou dispositivo de medição sempre adiciona algum distúrbio. Idealmente, todo o ruído se deve a flutuações do vácuo previstas pela mecânica quântica. Em teoria, nosso princípio atinge esse limite fundamental. No experimento, chegamos muito perto desse limite, diz o Dr. Francesco Massel.
A descoberta foi, na verdade, bastante inesperada. Nosso objetivo era resfriar o ressonador nanomecânico até seu estado fundamental quântico. O resfriamento deve se manifestar como um enfraquecimento de um sinal de sondagem, como observamos. Mas quando mudamos levemente a frequência do laser de micro-ondas, vimos o sinal de sondagem se fortalecer enormemente. Nós havíamos criado uma quase limitada quânticaComponentes do guia de onda, diz a pesquisadora da Academia Mika Sillanpää, que planejou o projeto e fez as medições.
Certas aplicações na vida real se beneficiarão do amplificador melhor baseado no novo método Aalto, mas alcançar esse estágio exige mais esforço de pesquisa. Muito provavelmente, o amplificador mecânico de micro-ondas será aplicado primeiro em pesquisas básicas relacionadas, o que expandirá ainda mais nosso conhecimento sobre a fronteira entre o mundo cotidiano e o reino quântico.

Segundo o pesquisador da Academia Tero Heikkilä, a beleza do amplificador está em sua simplicidade: ele consiste em dois osciladores acoplados. Portanto, o mesmo método pode ser realizado em praticamente qualquer mídia. Usando uma estrutura diferente da cavidade, era possível detectar radiação terahertz, que também seria uma aplicação importante.

A pesquisa foi realizada no Laboratório de Baixa Temperatura, que pertence à Escola de Ciências da Universidade Aalto, e faz parte do Centro de Excelência em Fenômenos e Dispositivos Quânticos de Baixa Temperatura da Academia Finlandesa. Os dispositivos usados nas medições foram fabricados pela VTT Nanotechnologies e microsistemas. A pesquisa foi financiada pela Academia Finlandesa, pelo Conselho Europeu de Pesquisa, ERC e pela União Europeia.