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 atom- és molekula interferométer: méterek!

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, de ez nem elég a kvantumosság vizsgálatához! A MINIMÁLIS SÉMA A SCHRÖDINGER-MACSKA: oszcillátor és kétállapotú rendszer összecsatolva

6 Schrödinger-macskák Élő és halott szuperpoziciója, összefonódva azzal, hogy egy radioaktív atom már elbomlott (↓), ill. még nem bomlott el (↑) : Hogy lehet a szuperpoziciót megfigyelni? Interferenciában, ezt azonban zavarja az összefonódás! Yurke-Stoler PRL 1986: ez megszüntethető optikai forgatással: ezt detektáljuk Kísérletek „mezoszkópikus” rendszerekkel!

7 Tükör-foton csatolás átadott impulzus pattogási frekvencia a fénynyomás munkavégzése! rezeg a tükör C.K.Law 1994 OPTOMECHANIKA: NANOOSZCILLÁTOR -- FOTON CSATOLÁS (ADIABATIKUS!)

8 optikai detektálás ezt használja az atomi erő mikroszkóp (AFM)

9 Fény, mint kétállapotú kvantumrendszer: a Marshall-Simon-Penrose-Bouwmeester projekt foton-tükör csatolás B A PRL 91, 130401 (2003)

10 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”

11 félvezető egy-elektron tranzisztor: SET (más néven: kvantumpötty: QD) kapacitív csatolásban AMIHEZ MÉG CSATOLHATJUK A NANOOSZCILLÁTORT: kétállapotú kvantumrendszerek (QUBITEK) két állapot töltéskvantálással: van vagy nincs benne elektron Direktebb megfigyelés, de zajosabb szilárdtest-rendszer

12 …, 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)

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

14 gyémánt NV centrum SiC nanoszál végén Arcizet et al, Nature Physics 2011 szept.

15 Kritikus mozzanat: a HŰTÉS ! sebességfüggő fénynyomás ~ csillapítás, melegítés nélkül!

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

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

18 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

19 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 … Klasszikusan is működik: a Doppler-hűtésben a sebesség oszcillál… (lásd: Domokos Péter honlapján: „Lézerhűtés” jegyzet)

20 Hűtés alapállapotig lézer nélkül, héliumhígítós hűtővel 6 GHz, 0.25 mK O’Connell et al., Nature 464, 697 (2010 április 1 (!)) hűtés nem, de állapotmérés-preparálás Josephson fázis-qubittel Rezonáns energiaátadás a qubit és az oszcillátor között, a qubitről leolvasva Rossz hír: klasszikus oszcillátorral ugyanúgy megy… Al N Piezoelektromos csatolás!

21 azt mutatja, hogy az ELEKTRONOK kvantumosan viselkednek ν frekvenciájú perturbáció hatására, NEM IGAZOLJA A FOTONOK LÉTÉT! Itt? A Josephson qubit kvantált. Hát az oszcillátor? KI TUDJA? A kritikus feladat: A KVANTUMÁLLAPOT MEGHATÁROZÁSA („REKONSTRUKCIÓJA”) ÉS PREPARÁLÁSA!

22 Teufel et al., Nature 2011 július: rezgő fedelű szupravezető üreg, mech. 10 MHz, el.mn. 7.5 GHz, 15 mK He-hígítással oldalsáv-hűtés 0.3 ħω-ig : 0.1 mK-re

23 Chan,…,Gröblacher,Aspelmeyer,Painter (Caltech+Bécs) Nature 2011 október 6 Si fotonikus kristály hibrid szigetelő alapú mikrochipen, foton (200THz) ÉS fonon (4 GHz) Bragg-szórás, középen lokalizáció, körül 2D tilossáv Oldalsáv lézerhűtés 20 K-ről 0.1 K-re: fononszám 0.8

24 sok elmélet … nagy téma: lézerek fáziszaja mennyire árt a hűtésnek? Diósi vs. Aspelmeyer et al.: markovi vagy nem-markovi leírás?

25 ≈ 100 Hz Nem-klasszikus állapotok preparálásához (Schrödinger macskák, préselt állapotok stb.) ERŐS CSATOLÁS kell, hogy befejeződjön, mielőtt a DEKOHERENCIA elmossa Egy út az erős csatolás elérésére: gyors eltolás az egyensúlytól egy elkerült keresztezés kiválasztása Sankey, …, Harris: Nature Phys. 6, 707 (2010)

26 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 … hol a hiba? pl. a markovi modellekben ? Az összefonódás keltése fontos téma marad… 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

27 A mechanical súrlódás és a velejáró zaj elmélete? ”fonon tunnelezés” (Wilson-Rae, PRB 77, 245418 (2008), arXiv:1007.4948) FAPP univerzális ?? Az oszcillátor felfüggesztése szűk hullámvezető a fononoknak c sebességű hanghullámok d átmérőjű hullámvezetőben: a hullámterjedés küszöbfrekvenciája c/d → ħc/d energia-gát a fononok számára Küszöb alatti fononok csak alagutazással jutnak át

28 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? PRA 82,043846( 2010)

29 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 (:

30 3. Dielektromos golyó (gyöngyszem) LEVITÁCIÓJA kétmódusú optikai csipesszel nincs mechanikai felfüggesztés, de van zaj a lézerektől+ Casimir erő; gyenge csapda → lágy oszcillátor Li,Kheifets,Raizen, Nature Phys. 7,527(2011), arXiv:1101.1283v2 Sok elméleti cikk 2010 óta, többnyire benne van O. Romero-Isart hűtés1.5 mK -ig (kT/ħω≈3000)

31 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, NV-ket, Josephson és egyéb qubiteket aggatva rájuk, hogy lássuk és vezéreljük a mozgásukat; kíváncsi teoretikusok ugyancsak versengve próbálják megérteni, hogy mozognak, és megjósolni, hogy fognak mozogni holnapután