NANOMECHANIKAI RENDSZEREK OTT, AHOVA A KVANTUM-KLASSZIKUS HATÁRT VÁRJUK

1. NANOMECHANIKAI RENDSZEREK OTT, AHOVA A KVANTUM-KLASSZIKUS HATÁRT VÁRJUK Egyre könnyebb nanomechanikai oszcillátorok - rajtuk a megfigyeléstsegítő 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. a macska sem … 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?

3. méret? félvezető nanostruktúrák tömeg? nano(elektro)mechanikaioszcillátorok pdf letöltés: nano.caltech.edu/publicat.html atom- és molekula interferométer: méterek!

4. rezgő nyelv + egy-elektron tranzisztor (20 MHz) • 1 elektron spinjét érzékelő mágneses erőmérő • torziós rezonátor, Casimir-erő és rövidtávú gravitáció mérésére • 1000-szeres mechanikai mozgáserősítő • rezgő nyelv + egy-elektron tranzisztor (116 MHz) • hangolható szén nanocső rezonátor (3-300 MHz)

5. - de nem mindenre jó Az ezredforduló óta: NANOMECHANIKAI ESZKÖZÖK KVANTUMOS VISELKEDÉSE? oszcillátorok az alapállapot közelében: kT/ħω ~1 nagy frekvencia – kis hűtés, kis frekvencia – nagy hűtés Kicsi elmozdulásokat kell detektálni, de ez nem elég a kvantumosság vizsgálatához! A MINIMÁLIS SÉMA A SCHRÖDINGER-MACSKA: oszcillátor és kétállapotú rendszer összecsatolva

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

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

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

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

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

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

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

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 Metzger & Karrai 2004 (nem csak fény) A késleltetett fény által okozott súrlódás

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

18. A felvett energiát le kell adni spontán emisszióval, az impulzus csökken Doppler-hűtés Ω<ω Γ ω lézer v ħK ω Ω STIMULÁLT RAMAN: a rezonanciától elhangolva, azonnali visszapattanással 2 lézer kell hozzá, ~10 Ghz, de 100 Khz-re pontos! 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0 GHz („hordozó”): hiperfinom alszintek Itt az energia is csökken rezgés: ~10 MHz Atomok-ionok lézerhűtése: ioncsapdában: OLDALSÁV-HŰTÉS a transzlációból kvantált rezgés lesz, az elektronszintek rezgési alnívókat kapnak

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 Al N Piezoelektromos csatolás! Rezonáns energiaátadás a qubit és az oszcillátor között, a qubitről leolvasva Rossz hír: klasszikus oszcillátorral ugyanúgy megy…

21. A kritikus feladat: A KVANTUMÁLLAPOT MEGHATÁROZÁSA („REKONSTRUKCIÓJA”) ÉS PREPARÁLÁSA! 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?

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

26. M. Paternostro, D. Vitali, S. Gigan, M. S. Kim, C. Brukner, J. Eisert, M. AspelmeyerPhys. Rev. Lett. 99, 250401 (2007) D. Vitali, S. Gigan, A. Ferreira, H. R. Böhm, P. Tombesi, A. Guerreiro, V. Vedral, A. Zeilinger, M. AspelmeyerPhys. Rev. Lett. 98, 030405 (2007) Egy ígéretes (?) cél: finom kvantumos korrelációk mérése rezgő tükör és foton-rezonátor között, a megfigyelt fluktuációkban = ÖSSZEFONÓDÁS 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…

27. A mechanical súrlódás és a velejáró zaj elmélete? ”fonontunnelezés”(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 hűtés1.5 mK -ig (kT/ħω≈3000) Sok elméleti cikk 2010 óta, többnyire benne van O. Romero-Isart

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