В эксперименте американских учёных, возможно, впервые удалось наблюдать квантовое поведение механического осциллятора микронных размеров.

Рис.1. a - изображение механического наноосциллятора, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, b - схематическое изображение низкочастотных колебаний осциллятора, c - схематическое изображение коллективной моды колебаний при больших частотах.

Без понятия "колебаний" немыслима современная физика, а исторически первым хорошо исследованным видом колебаний были механические колебания. Простейшим и занимающим особое место видом колебаний являются колебания гармонические, и потому гармонический осциллятор занимает своё важное место на страницах учебников. Так было до создания квантовой механики, не изменилась ситуация и с её созданием. Однако в квантовой механике, в отличие от "классики", для гармонического осциллятора энергетический спектр уже не является непрерывным, а представляет собой набор дискретных уровней, отделённых друг от друга равными энергетическими интервалами.

Квантовый и классический "миры" не разделены непреодолимой пропастью - должен существовать постепенный переход от одного к другому. Исследование перехода от классического к квантовому привлекает большое внимание учёных (см. например, нашу новость). Если иметь дело с механическим осциллятором, то, уменьшая его размеры, мы вправе ожидать, что при определённых условиях должен произойти переход от классического поведения к квантовому: из-за дискретности энергетического спектра амплитуда колебаний осциллятора сможет принимать только определённые значения, что совершенно не характерно для классического механического осциллятора. Однако в реальности наблюдать переход от классического поведения к квантовому в случае достаточно большого объекта - задача очень непростая: поскольку состояние квантовой системы легко может быть разрушено в процессе взаимодействия с окружением, реализовать подобную микроскопическую или мезоскопическую систему, которая демонстрировала бы квантовые свойства, очень сложно. В случае механического осциллятора достаточно уже того, чтобы энергетический зазор между уровнями энергии гармонического осциллятора (hn , где h - постоянная Планка, n   - частота колебаний) был существенно меньше характерной тепловой энергии (kT, где k - постоянная Больцмана), чтобы поставить крест на возможности наблюдать квантовое поведение осциллятора. Соответственно, чтобы это стало возможным, помимо малых размеров нужны, как минимум, очень низкие температуры и достаточно высокие собственные частоты колебаний.

При частоте колебаний механического осциллятора (например, тонкого кремниевого бруска) порядка 1 ГГц требуются температуры порядка 50 мК, чтобы можно было ожидать перехода к квантовому режиму колебаний. Однако, чтобы собственная частота колебаний стала столь велика, все размеры механического осциллятора должны быть в субмикронном диапазоне, что существенно затрудняет возможность регистрации смещения бруска из положения равновесия. Чтобы преодолеть это затруднение, учёные из Бостонского университета создали микроскопический механический осциллятор достаточно хитрой формы [1]. С помощью электронной литографии была изготовлена структура, напоминающая по форме антенну или двустороннюю расчёску (длина собственно кремниевого бруска - 10.7 мкм, ширина - 400 нм ширина; для "зубчиков" длина и ширина составляют 500 нм и 200 нм, соответственно; общая толщина структуры 245 нм: 185 нм - толщина кремния, 60 нм - толщина напылённого на кремний золотого электрода) - рис.1a.

Рис.2. a - зависимость максимального напряжения (и, соответственно, амплитуды колебаний) от частоты вынуждающей силы вблизи резонанса; b - зависимость максимального напряжения в резонансе от магнитного поля. Температура - 1 К.

Подобная хитрая форма осциллятора приводит к появлению двух типов колебательных мод: низкочастотных, соответствующих колебанию конструкции как целого (рис.1b), и коллективных высокочастотных, когда колебания "зубчиков" (для которых собственная частота превышает 1 ГГц) в фазе вызывают колебания всей конструкции как целого (рис.1c). Конструкцию помещали внутрь криостата со сверхпроводящим магнитом на 16 Тл, а колебания возбуждали, пропуская переменный ток через золотой электрод, в результате чего на структуру действовала сила Лоренца. Измеряя падение напряжения на золотом электроде, которое в таких условиях пропорционально смещению структуры, исследователи могли следить за колебаниями механического осциллятора. Когда частота вынуждающей силы совпадает с одной из собственных частот колебаний системы, должен иметь место резонанс, т.е. амплитуда колебаний осциллятора должна возрастать, что можно зафиксировать по изменению максимального напряжения.

При работе в низкочастотной области (21 МГц) при температуре 60 мК исследователи видели чисто классическую картину - амплитуда колебаний осциллятора постепенно увеличивалась по мере того, как росло магнитное поле (и, соответственно, увеличивалась сила, действующая на структуру). Такую же картину учёные наблюдали и при работе на частоте, совпадающей с собственной частотой высокочастотной коллективной моды (около 1.5 ГГц) при температуре 1 К - рис.2. Однако, при понижении температуры до 110 мК (при такой температуре kT становится сопоставима с hn   и можно ожидать проявления квантового характера колебаний) исследователи наблюдали качественно иную картину: непрерывного изменения амплитуды колебаний при изменении поля не происходило! Вместо этого происходили скачки напряжения между двумя определёнными значениями при изменении магнитного поля - рис.3. Подобные скачки можно интерпретировать как переходы квантового осциллятора между основным и первым возбуждённым состоянием.

Рис.3. a - зависимость максимального напряжения (и, соответственно, амплитуды колебаний) от частоты вынуждающей силы вблизи резонанса; b - зависимость максимального напряжения в резонансе от магнитного поля. Температура - 110 мК.

Хотя учёные проявляют осторожность, подчёркивая, что пока ещё рано однозначно интерпретировать результаты экспериментов как проявление квантового поведения макроскопического ("расчёска" состоит примерно из 50 миллиардов атомов кремния) механического осциллятора, тем не менее, не исключено, что им действительно удалось прикоснуться к грани, разделяющей квантовый и классический миры.

1. Alexei Gaidarzhy, Guiti Zolfagharkhani, Robert L.Badzey, and Pritiraj Mohanty . Phys.Rev.Lett, v.94, 030402 (2005).

Е.Онищенко