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

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

Os pesquisadores resfriaram o oscilador nanomecânico, mil vezes mais fino que um fio de cabelo humano, até uma temperatura baixa perto do zero absoluto em -273 graus centígrados. Sob condições tão extremas, mesmo objetos de tamanho quase macroscópico seguem as leis da física quântica que muitas vezes contradizem o senso comum. 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 supercondutora, que troca energia com o ressonador nanomecânico. Isso permitiu a amplificação de seu movimento ressonante. Isso é muito semelhante ao que acontece em um violão, onde a corda e a câmara de eco ressoam na mesma frequência. Em vez de o músico tocar a corda do violão, a fonte de energia era fornecida por um laser de micro-ondas.

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

Os amplificadores de transistor semicondutor usados atualmente são dispositivos complicados e barulhentos e operam longe de um limite de perturbação fundamental definido pela física quântica. Os cientistas do Laboratório de Baixa Temperatura mostraram que, aproveitando o movimento ressonante quântico, a radiação de microondas injetada pode ser amplificada com pouca perturbação. O princípio, portanto, permite detectar sinais muito mais fracos do que o normal.

Qualquer método ou dispositivo de medição sempre adiciona alguma perturbação. Idealmente, todo o ruído é devido às 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 realmente 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, o que observamos. Mas quando mudamos ligeiramente a frequência do laser de microondas, vimos o sinal de sondagem se fortalecer enormemente. Criamos um sistema quase quântico limitado Componentes do guia de ondas, diz Mika Sillanpää, pesquisadora da Academia, que planejou o projeto e fez as medições.
Certas aplicações da vida real se beneficiarão do melhor amplificador baseado no novo método Aalto, mas atingir esse estágio requer mais esforço de pesquisa. Muito provavelmente, o amplificador mecânico de micro-ondas será aplicado pela primeira vez em pesquisas básicas relacionadas, o que expandirá ainda mais nosso conhecimento da fronteira entre o mundo cotidiano e o reino quântico.

De acordo com 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 basicamente qualquer mídia. Usando uma estrutura diferente da cavidade, pode-se 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 de Aalto, e faz parte do Centro de Excelência em Fenômenos e Dispositivos Quânticos de Baixa Temperatura da Academia Finlandesa. Os dispositivos utilizados nas medições foram fabricados pela VTT Nanotechnologies e microsystems. A pesquisa foi financiada pela Academia Finlandesa, pelo Conselho Europeu de Pesquisa ERC e pela União Europeia.