Dzięki innowacyjnemu połączeniu dwóch dziedzin badawczych - fizyki kwantowej i nanofizyki - finansowani ze środków unijnych duńscy naukowcy odkryli nową metodę laserowego schładzania membran półprzewodnikowych. Półprzewodniki są podstawowymi komponentami wielu urządzeń elektronicznych, takich jak ogniwa słoneczne i diody elektroluminescencyjne (LED), dlatego możliwości ich schładzania mają istotne znaczenie dla przyszłego rozwoju komputerów kwantowych i ultraczułych czujników.

Choć nazwano ją metodą schładzania, technika wykorzystywana przez fizyków działa na dokładnie odwrotnej zasadzie - ogrzewania materiału. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature Physics, zespół z Instytutu Nielsa Bohra przy Uniwersytecie w Kopenhadze w Danii, objaśnia, jak opracował lasery zdolne do schłodzenia wahań membran do minus 269 stopni Celsjusza.

Badania otrzymały wsparcie w kwocie 4.700.000 EUR w ramach projektu Q-ESSENCE (Interfejsy, czujniki i komunikacja kwantowa oparte na splątaniu), dofinansowanego z tematu TIK (Technologie informacyjne i komunikacyjne) Siódmego Programu Ramowego (7PR) UE.

Autor naczelny raportu z badań, Koji Usami, wyjaśnia: "W toku doświadczeń udało nam się wypracować nowy i skuteczny sposób chłodzenia materiału stałego za pomocą laserów. Wyprodukowaliśmy membranę półprzewodnikową o grubości 160 nanometrów i bezprecedensowej powierzchni 1 na 1 milimetr. W czasie doświadczeń pozwoliliśmy membranie wchodzić w interakcje ze światłem lasera, tak aby jej ruchy mechaniczne wpływały na skierowane na nią światło. Skrupulatnie przeanalizowaliśmy parametry fizyczne i odkryliśmy, że pewien tryb oscylacji membrany uległ schłodzeniu z temperatury pokojowej do minus 269 stopni Celsjusza, co było wynikiem złożonej i fascynującej wzajemnej zależności między ruchem membrany, właściwościami półprzewodnika i rezonansami optycznymi."

Duński zespół od dawna doskonali chłodzenie laserowe w technice atomowej i schłodził już wcześniej chmury gazowe atomów cezu niemal do zera bezwzględnego, czyli minus 273 stopnie Celsjusza, za pomocą laserów zogniskowanych. Naukowcom udało się wygenerować splątanie między dwoma systemami atomowymi. Dzieje się tak, kiedy spin atomu zostaje splątany, a dwie chmury gazowe formują wiązanie oparte na mechanice kwantowej. Za pomocą optycznych technik kwantowych naukowcy zmierzyli wahania kwantowe spinu atomu. "Od pewnego czasu chcieliśmy sprawdzić, na ile można poszerzyć granice mechaniki kwantowej - czy dotyczy ona również materiałów makroskopowych? To oznaczałoby całkowicie nowe możliwości w tak zwanej optomechanice, czyli interakcji między promieniowaniem optycznym, tj. światłem, a ruchem mechanicznym" - wyjaśnia kolejny autor raportu, profesor Eugene Polzik.

Niemniej zanim naukowcy mogli przekonać się, czy ich teorie sprawdzają się w praktyce, musieli sprawdzić, czy dysponują odpowiednimi materiałami do tego zadania.

Wszystko zaczęło się w 2009 r., kiedy jeden z członków zespołu badawczego, Peter Lodahl, wygłosił wykład w Instytucie Nielsa Bohra: zaprezentował specjalną, fotoniczną membranę krystaliczną, wykonaną z półprzewodnikowego materiału - arsenku galu (GaAs). Po wysłuchaniu wykładu, profesor Polzik od razu pomyślał, że ta nanomembrana może posiadać wiele korzystnych właściwości elektronicznych i optycznych. Zasugerował wykorzystanie tego typu membrany w doświadczeniach optomechanicznych i po roku eksperymentowania z różnymi rozmiarami zespołowi udało się znaleźć ten odpowiedni.

Naukowcy stworzyli nanomembranę o grubości zaledwie 160 nanometrów i powierzchni powyżej 1 milimetra kwadratowego.

W ramach doświadczenia skierowali światło lasera na nanomembranę w komorze próżniowej. Kiedy światło lasera dotarło do membrany półprzewodnikowej, część światła została odbita, by następnie odbić się ponownie od zwierciadła, przez co światło poruszało się w tej przestrzeni tam i z powrotem, tworząc rezonator optyczny. Część światła została pochłonięta przez membranę i uwolniła wolne elektrony. Elektrony rozpadły się, ogrzewając tym samym membranę, co wywołało rozszerzanie termiczne. W ten sposób odległość między membraną a zwierciadłem stale się zmieniała w postaci wahań.

Jak wyjaśnia dalej Koji Usami: "Zmiana odległości między membraną a zwierciadłem prowadzi do złożonej i fascynującej wzajemnej zależności między ruchem membrany, właściwościami półprzewodnika i rezonansami optycznymi, dając możliwość kontrolowania systemu, aby obniżać temperaturę wahań membrany. To nowy mechanizm optomechaniczny, który ma kluczowe znaczenie dla nowego odkrycia. Paradoks polega na tym, że mimo nieznacznego ocieplania się membrany jako całości, ulega ona schłodzeniu przy pewnym wahaniu, a schładzanie to może być kontrolowane za pomocą światła lasera. A zatem mamy do czynienia ze schładzaniem się przez ocieplanie! Udało nam się schłodzić wahania membrany do minus 269 stopni Celsjusza."

Odkrycia mogą doprowadzić do opracowania komponentów schładzających do komputerów kwantowych. Komputer kwantowy to urządzenie obliczeniowe, które bezpośrednio wykorzystuje zjawiska mechaniki kwantowej, takie jak superpozycja i splątanie, do wykonywania operacji na danych.

Główne cele projektu Q-ESSENCE to opracowanie interfejsów kwantowych umożliwiających wysokiej wierności mapowanie informacji kwantowych między różnymi systemami kwantowymi, wygenerowanie splątania kwantowego w nowych skalach i na nowe odległości jako sposób na przenoszenie zadań informacji kwantowych oraz inżynieria wieloczęściowego splątania w specyficznych topologiach systemów podstawowych.

Projekt wspiera również naukowców z Australii, Austrii, Hiszpanii, Holandii, Niemiec, Polski, Słowacji, Szwajcarii, Wlk. Brytanii i Włoch. Jego realizację przewidziano do 2013 r. i ma on stworzyć nowe możliwości w kwantowych technologiach informacyjnych, które będzie można przekształcić w realistyczne i kompletne systemy do wykonywania zadań TIK.

© Unia Europejska 2005 - 2012

Źródło: CORDIS

Referencje dokumentu: Usami, K. et al., 'Optical cavity cooling of mechanical modes of a semiconductor nanomembrane', Nature Physics, 2012. doi:10.1038/nphys2196