Авиационно инженерство Административно право Административно право Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог” Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидросистеми и хидравлични машини Културология Медицина Психология икономика дескриптивна геометрия Основи на икономически т Oria професионална безопасност Пожарна тактика процеси и структури на мисълта, Професионална психология Психология Психология на управлението на съвременната фундаментални и приложни изследвания в апаратура социалната психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерна производствена Физика Физични феномени Философски хладилни инсталации и екология Икономика История на икономиката Основи на икономиката Икономика на предприятията Икономическа история Икономическа теория Икономически анализ Развитие на икономиката на ЕС Спешни ситуации ВКонтакте Однокласници Моят свят Facebook LiveJournal Instagram
border=0

Квантов осцилатор на базата на електромеханичен резонатор

<== предишна статия |

Квантовите и класическите "светове" не са разделени от непреодолим залив - трябва да има постепенен преход от едно към друго. Изследването на прехода от класическата система към квантовете привлича много внимание на учените. Ако се занимаваме с механичен осцилатор, тогава, намалявайки неговия размер, с право можем да очакваме, че при определени условия трябва да настъпи преход от класическо към квантово поведение: поради дискретността на енергийния спектър, амплитудата на осцилационните колебания може да приеме само определени стойности, което е напълно нехарактерно за класическата механичен осцилатор.

В действителност обаче е много трудно да се наблюдава прехода от класическо към квантово поведение в случай на достатъчно голям обект: тъй като състоянието на квантовата система може лесно да бъде унищожено в процеса на взаимодействие с околната среда, много е трудно да се приложи такава микроскопична система, която да демонстрира квантови свойства. В случая на механичен осцилатор е достатъчно енергийната разлика между енергийните нива на хармоничен осцилатор да бъде значително по-малка от характерната топлинна енергия, за да се сложи край на възможността за наблюдение на квантовото поведение на осцилатора. Съответно, за да стане това възможно, освен малките размери, са необходими поне много ниски температури и достатъчно високи естествени честоти на колебания.

При честота на осцилации на механичен осцилатор (например тънък силиконов прът) от порядъка на 1 GHz са необходими температури от около 50 mK, за да се очаква преход към режим на квантово колебание ( ). Въпреки това, за да стане естествената честота на трептенията толкова висока, всички размери на механичния осцилатор трябва да бъдат в субмикронния диапазон, което затруднява откриването на изместването на лентата от равновесното положение.

, , , (9.1)

Например. Вибратор под формата на верига от 100 атома (10nm), който прави надлъжни колебания с честота от 2.5 THz, ще прояви квантови свойства при температура от 50 K.

Вибратор под формата на лента с дължина 1 µm = 1000 nm, който прави надлъжни колебания с честота 25 GHz, ще показва квантови свойства при температури под 0,5 K.

Вибратор под формата на пръчка с дължина 1 mm, който прави надлъжни колебания с честота 25 MHz, ще проявява квантови свойства при температури под 0,0005K.

При създаването на резонатори, способни да показват квантови свойства, е необходимо да се изпълнят следните изисквания: да се намали температурата, да се намалят геометричните размери, да се увеличи работната честота, да се използват осцилации на обертоните, да се осигури акустична изолация на вибратора със структурни елементи.

За да преодолеят тези трудности, учените от Бостънския университет са създали микроскопичен механичен осцилатор с доста сложна форма. Използва се електронна литография, структура, наподобяваща антена или двустранен гребен: дължината на самия силиконов прът е 10,7 микрона, ширината е 400 nm; за зъби, дължината и ширината са съответно 500 nm и 200 nm; Общата дебелина на структурата е 245 nm: 185 nm е дебелината на силиция, 60 nm е дебелината на златния електрод, пръскан върху силиций.

Фиг. 9.2 Изображение на механичен нано-осцилатор, получен чрез сканираща електронна микроскопия (а), схематично представяне на нискочестотни осцилации на осцилатор (б) и колективен режим на колебания при високи честоти (в).

Такава форма на осцилатор води до появата на два типа осцилационни режима: нискочестотен, съответстващ на осцилацията на структурата като цяло (фиг. 9.2б), и колективни високочестотни, когато осцилациите на "зъбите" (при които естествената честота надвишава 1 GHz) във фазата предизвиква колебания на цялата структура. цялото (фиг. 9.2в). Дизайнът е поставен в криостат със свръхпроводящ магнит от 16 T и вибрациите са възбудени чрез преминаване на променлив ток през златния електрод, в резултат на което силата на Лоренц действа върху структурата. Чрез измерване на напрежението в златния електрод, което в такива условия е пропорционално на изместването на конструкцията, изследователите могат да следват колебанията на механичния осцилатор. Когато честотата на движещата сила съвпада с една от естествените честоти на трептенията на системата, трябва да настъпи резонанс, т.е. амплитудата на осцилатора на осцилатора трябва да се увеличи, което може да се определи чрез промяна на максималното напрежение.

Фиг. 9.3 Зависимост на максималното напрежение (съответно амплитудата на трептенията) от честотата на движещата сила в близост до резонанса (а) и силата на магнитното поле (б) при температура - 1 К.

Когато работят в нискочестотната област (21 MHz) при температура 60 mK, изследователите виждат чисто класическа картина - амплитудата на трептенията постепенно нараства с нарастването на магнитното поле (и съответно се увеличава силата, действаща върху структурата). Учените наблюдаваха една и съща картина при работа с честота, която съвпада с естествената честота на високочестотния колективен режим (около 1,5 GHz) при температура от 1 К (фиг. 9.3). Въпреки това, когато температурата падне до 110 mK (при тази температура, kT става сравнима с квантовата енергия и можем да очакваме квантов характер на осцилациите), изследователите наблюдаваха качествено различна картина: нямаше непрекъсната промяна в амплитудата на трептенията при промяна на полето! Вместо това, напрежението се появява между две специфични стойности, когато магнитното поле се променя - Фиг. 9.4. Такива скокове могат да се интерпретират като преходи на квантов осцилатор между земните и първите възбудени състояния.

Фиг. 9.4 Зависимост на максималното напрежение (съответно амплитудата на трептенията) от честотата на движещата сила в близост до резонанса (а) и силата на магнитното поле (б) при температура - 110 mK.

Въпреки че учените са предпазливи, подчертавайки, че все още е твърде рано да се интерпретират недвусмислено резултатите от експериментите като проявление на квантовото поведение на макроскопски механичен осцилатор („гребена” се състои от около 50 милиарда силициеви атоми), е възможно да са успели да докоснат лицето, разделяне на квантовия и класическия свят. В разглеждания експеримент, може би за първи път, е възможно да се наблюдава квантовото поведение на механичен осцилатор с микронен размер.

Може да се очаква, че прилагането на нанотехнологиите в измервателната техника, по-специално, при разработването на първични измервателни преобразуватели, базирани на субминиатюрни, свръхвисокочестотни електромеханични резонатори ще направи възможно да се направи качествен скок в инструменталното инженерство. Например устройства от този тип ще се характеризират с ултра-висока чувствителност, която не може да бъде постигната чрез съвременни измервателни уреди. Но създаването на ново поколение сензори, използващи квантови осцилатори, ще изисква разработването на теоретичните основи на тяхната конструкция, технологията на производство, използването на специална електроника и др.

<== предишна статия |





Вижте също:

Зееманов ефект

Ядрен магнитен резонанс

Старк ефект

Ядрен гама-резонанс

Архитектура на конзолни сензори и системи за наблюдение на положението на конзоли

Хелиев йон микроскоп

Практическо приложение на атомно силовия микроскоп

Методи за изследване на наноматериали и наноструктури

Физически основи на твърдотелна наноелектроника

Основни закони на самоорганизация на сложни динамични системи

Концепциите на класическата и квантовата системи

Понятието "размита логика"

Практическо приложение на ефекта на повърхностния плазмен резонанс

Ефект на повърхностния плазмен резонанс

Електронен парамагнитен резонанс

Връщане към съдържанието: Съвременни фундаментални и приложни изследвания в приборостроенето

Видян: 1628

11.45.9.51 © ailback.ru не е автор на публикуваните материали. Но предоставя възможност за безплатно ползване. Има ли нарушение на авторските права? Пишете ни Обратна връзка .