NANOMECHANIKAI RENDSZEREK OTT, AHOVA A KVANTUM-KLASSZIKUS HATÁRT VÁRJUK Egyre könnyebb nanomechanikai oszcillátorok - rajtuk a megfigyelést segítő tükörrel.

Az előadások a következő témára: "NANOMECHANIKAI RENDSZEREK OTT, AHOVA A KVANTUM-KLASSZIKUS HATÁRT VÁRJUK Egyre könnyebb nanomechanikai oszcillátorok - rajtuk a megfigyelést segítő tükörrel."— Előadás másolata:

1 NANOMECHANIKAI RENDSZEREK OTT, AHOVA A KVANTUM-KLASSZIKUS HATÁRT VÁRJUK Egyre könnyebb nanomechanikai oszcillátorok - rajtuk a megfigyelést segítő tükörrel - és egyre hatékonyabb hűtési technikák segítségével elérhető közelségbe került az az idő, amikor már emberkéz gyártotta tárgyak mozgásán is megfigyelhetők lesznek azok a kvantummechanikai sajátságok, amelyeket eddig csak tíz nagyságrenddel könnyebb molekulákon láttak.

2 Hol a határ kvantumos és klasszikus között? WKB? Attól még megmarad az interferencia! Összefonódás a környezettel → dekoherencia (Zeh, Zurek) Kollapszus? A véletlenszerűség eredete? Mi miért függ mitől? Hol kezdődik a makroszkópikus világ? a macska sem …

3 félvezető nanostruktúrák méret? nano(elektro)mechanikai oszcillátorok tömeg? pdf letöltés: nano.caltech.edu/publicat.html

4 a)rezg ő nyelv + egy-elektron tranzisztor (20 MHz) b)1 elektron spinjét érzékel ő mágneses er ő mér ő c)torziós rezonátor, Casimir-er ő és rövidtávú gravitáció mérésére d)1000-szeres mechanikai mozgáser ő sít ő e)rezg ő nyelv + egy-elektron tranzisztor (116 MHz) f)hangolható szén nanocs ő rezonátor (3-300 MHz)

5 Az ezredforduló óta: NANOMECHANIKAI ESZKÖZÖK KVANTUMOS VISELKEDÉSE? oszcillátorok az alapállapot közelében: kT/ħω ~1 nagy frekvencia – kis hűtés, kis frekvencia – nagy hűtés - de nem mindenre jó Kicsi elmozdulásokat kell detektálni! OPTOMECHANIKA: NANOOSZCILLÁTOR -- FOTON CSATOLÁS Tényleg kell az alapállapoti hűtés???

6 Tükör-foton csatolás átadott impulzus pattogási frekvencia a fénynyomás munkavégzése! rezeg a tükör C.K.Law 1994

7 optikai detektálás (ezt használja az atomi erő mikroszkóp (AFM) félvezető egy-elektron tranzisztor: SET (más néven: kvantumpötty: QD) kapacitív csatolásban MÁS IS VAN: kétállapotú kvantumrendszerek (QUBITEK) két állapot töltéskvantálással: van vagy nincs benne elektron

8 igazából így néz ki…

9 …, Armour, Clerk, Blencowe, Schwab Nature 2006 szept. hűtés a kvantummérés visszahatásával, ½ Kelvinre Szupravezető egy-elektron tranzisztor árama méri a nanooszcillátor rezgését (töltéskvantálás, kapacitív csatolás)

10 Cooper-pár doboz vezérli a nanomechanikai oszcillátor állapotát alternatíva: nagy szupravezető áramkörökben nem a töltés, hanem a mágneses fluxus kvantálódik (a kettő kombinálható is)

11 A Marshall-Shimon-Penrose-Bouwmeester projekt foton-tükör csatolás B A PRL 91, 130401 (2003)

12 termikus keskenyedés (Bose, Jacobs, Knight; új analízis: Bernád-Diósi-GT: PRL, 2006 december) 1.Lágy oszcillátor kell az erős fotoncsatoláshoz, de azt nehéz hűteni 2.Magas hőmérsékleten is vannak visszatérések, de azok nem kvantumosak 3.Még az összefonódás se mindig kvantumos: átmehet klasszikus korrelációba az interferencia „láthatósága”

13 A kritikus mozzanat a HŰTÉS ! sebességfüggő fénynyomás ~ csillapítás, melegítés nélkül!

14 késleltetés, nem memória! 1 A késleltetett fény által okozott súrlódás Metzger & Karrai 2004 (nem csak fény)

15 Doppler-hűtés Γ Ω ω ω v ħKħK Ω<ωΩ<ω lézer ioncsapdában: OLDALSÁV-HŰTÉS a transzlációból kvantált rezgés lesz, az elektronszintek rezgési alnívókat kapnak Atomok-ionok lézerhűtése: A felvett energiát le kell adni spontán emisszióval, az impulzus csökken 543210543210 543210543210 STIMULÁLT RAMAN: a rezonanciától elhangolva, azonnali visszapattanással 2 lézer kell hozzá, ~10 Ghz, de 100 Khz-re pontos! GHz („hordozó”): hiperfinom alszintek rezgés: ~10 MHz Itt az energia is csökken Nanomechanika: az impulzus az elsődleges, de rezgőmozgás

16 Oldalsáv-hűtés optomechanikában Schliesser et al (Max Planck, Garching, Nature Phys. 2008) A gerjesztett optikai módus kiürül a környezet felé; a hűtött mechanikai módust a környezet melegíti … Rocheleau et al (Cornell, Maryland, McGill, Caltech, Nature 2010 január): kT/ħω ~4

17 sok elmélet … nagy téma: lézerek fáziszaja mennyire árt a hűtésnek? Diósi vs. Aspelmeyer et al.: markovi vagy nem-markovi leírás? Maga az oldalsáv-hűtés működése nem bizonyítja-e a mozgás kvantáltságát, akkor is, ha még nem értük el az alapállapotot?

18 „ aktív hűtés ” a mozgás letapogatásán alapuló visszacsatolással Maxwell-démon

19 Egy ígéretes (?) cél: finom kvantumos korrelációk mérése rezgő tükör és foton-rezonátor között, a megfigyelt fluktuációkban ami mérhető: 2 rezonátor korrelációi, köztük a rezgő tükörrel eddig nem sikerült … M. Paternostro, D. Vitali, S. Gigan, M. S. Kim, C. Brukner, J. Eisert, M. Aspelmeyer Phys. Rev. Lett. 99, 250401 (2007) Phys. Rev. Lett. 99, 250401 (2007) D. Vitali, S. Gigan, A. Ferreira, H. R. Böhm, P. Tombesi, A. Guerreiro, V. Vedral, A. Zeilinger, M. Aspelmeyer Phys. Rev. Lett. 98, 030405 (2007) Phys. Rev. Lett. 98, 030405 (2007) = ÖSSZEFONÓDÁS A mechanikai súrlódás és a vele járó zaj korrekt kezelése? ”fonon-alagutazás” (Wilson-Rae, PRB 77, 245418 (2008), arXiv:1007.4948) FAPP univerzális ??

20 Csapdázott hideg gázok 1. Csapdázott hideg gázok csatolása nanomechanikai oszcillátorhoz …,Hänsch,…, PRL 99,140403(2007) javaslata: spines BEC csatolódik egy atomchipre integrált nanooszcillátor mágneses hegyéhez, a nanooszcillátor érzékeli a kondenzátum rezgési módusait Ugyanők, arXiv:1003.1126 kísérlet: nem mágneses, hanem felületi erők A mágneses csatolással két nanooszcillátort összefonni? arXiv:1006.4036

21 …,Aspelmeyer,…,Zoller, PRL 102,020501(2008) Paternostro et al., PRL 104,243602(2010) javaslat: atomfelhő (BEC) és nanooszcillátor összekapcsolása (összefonása) fény közvetítésével …,Zoller,…,Hänsch arXiv:1002.4646 javaslata: atomfelhő C.O.M. módusa csatolva mikromembránhoz, fényráccsal Ez átvezet a következő (utolsó) témánkhoz… :10 kg, nanomechanika : 10 kg, van valami közötte? -24 -15

22 2. Csapdázott kondenzátum tömegkp, mint nanomechanikai oszcillátor BEC Science 322,235(2008) ETH Zürich Kvantummérés visszahatással → hűtés (Berkeley, Nature Phys. 4,561(2008) Egyelőre csak fűtés (: 10 kg -20

23 ÖSSZEFOGLALÁS a minden repülő molekulánál nehezebb, de minden eddigi emberkéz gyártotta tárgynál könnyebb mozgó testek világa nem csak hasznos, de a kvantumvilág mélyebb megértését is ígéri; jobbnál jobb laboratóriumokban versengve építik a könnyűnél is könnyebb, hidegnél is hidegebb eszközöket; tükröket, SET-eket, CPB-ket, FQB-eket aggatva rájuk, hogy lássuk a mozgásukat; kíváncsi teoretikusok ugyancsak versengve próbálják megérteni, hogy mozognak, és megjósolni, hogy fognak mozogni holnapután