Ερευνητές του Πανεπιστημίου McGill ανέπτυξαν μια νέα κβαντική συσκευή που παράγει μικροσκοπικά σωματίδια που μοιάζουν με ήχο που ονομάζονται φωνόνια σε θερμοκρασίες λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν. Η πρόοδος θα μπορούσε να βοηθήσει να ανοίξει ο δρόμος για τα λέιζερ φωνονίων, μια τεχνολογία με πιθανές χρήσεις στις επικοινωνίες, την ιατρική διάγνωση και την προηγμένη ανίχνευση.
“Η σύγχρονη επικοινωνία βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στο φως με ηλεκτρομαγνητικά κύματα και ηλεκτρικά ρεύματα. Ο ήχος μπορεί να ταξιδέψει μέσω ενός μέσου όπως ο ωκεανός, όπου το φως και τα ηλεκτρικά ρεύματα δεν μπορούν”, δήλωσε ο Michael Hillke, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Στο ανθρώπινο σώμα, τα ηχητικά κύματα μπορούν επίσης να είναι ένα χρήσιμο εργαλείο».
Η συσκευή σχεδιάστηκε και δοκιμάστηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου McGill και του Εθνικού Ερευνητικού Συμβουλίου του Καναδά, ενώ το υλικό που χρησιμοποιήθηκε στη συσκευή συντέθηκε στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον.
Πόσο γρήγορα τα ηλεκτρόνια παράγουν κβαντικό θόρυβο;
Η ομάδα κατασκεύασε τη συσκευή χρησιμοποιώντας έναν δισδιάστατο κρύσταλλο που περιορίζει τα ηλεκτρόνια σε ένα κανάλι πλάτους μόλις λίγων ατόμων. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα σπρώχνει ηλεκτρόνια μέσω αυτής της εξαιρετικά λεπτής διαδρομής με υψηλή ταχύτητα, τα ηλεκτρόνια απελευθερώνουν την περίσσεια ενέργειά τους ως εκρήξεις δονήσεων που μοιάζουν με ήχο, γνωστά ως φωνόνια.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτά τα φωνόνια μπορούν να γίνουν προβλέψιμα, ελεγχόμενα μοτίβα, ένα σημαντικό βήμα προς πρακτικές συσκευές που βασίζονται στον ακριβή χειρισμό του ήχου σε κβαντικό επίπεδο.
Η ψύξη ξεκλειδώνει την ασυνήθιστη κβαντική συμπεριφορά
Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασίες που κυμαίνονταν από περίπου 10 milli-Kelvin έως 3,9 Kelvin. Σε αυτές τις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται με πολύ πιο τακτοποιημένο τρόπο, καθιστώντας ευκολότερη την παρατήρηση κβαντικών φαινομένων, όπου η ύλη συμπεριφέρεται σαν κύματα και όχι σαν συνηθισμένα σωματίδια.
«Σε απόλυτο μηδέν θερμοκρασία – δηλαδή στον κόσμο της κβαντικής φυσικής – δεν παράγεται ήχος εκτός εάν τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν συλλογικά με ή πάνω από την ταχύτητα του ήχου», εξηγεί ο Hillke. “Προηγούμενη εργασία παρατήρησε σχετικές επιδράσεις καθώς η κίνηση των ηλεκτρονίων πλησιάζει το ηχητικό φράγμα. Η μελέτη μας ωθεί το σύστημα πιο πέρα από αυτό το σημείο και δείχνει ότι οι υπάρχουσες θεωρίες πρέπει να επανεκτιμηθούν λαμβάνοντας υπόψη ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να θερμανθούν πολύ ακόμα και όταν ο κρύσταλλος ξενιστής είναι κοντά στη θερμοκρασία απόλυτου μηδέν.”
Προς ταχεία επικοινωνία και ιατρική τεχνολογία
Η επόμενη φάση της έρευνας θα διερευνήσει την κατασκευή της συσκευής από άλλα υλικά, συμπεριλαμβανομένου του γραφενίου, που θα μπορούσε να της επιτρέψει να λειτουργεί σε υψηλότερες ταχύτητες.
Σύμφωνα με τον Hillock, οι μελλοντικές εκδόσεις της τεχνολογίας θα μπορούσαν να συμβάλουν σε ταχύτερα συστήματα επικοινωνίας, πιο ευαίσθητο εξοπλισμό ανίχνευσης, βελτιωμένες μεθόδους μελέτης βιολογικών υλικών και βελτιωμένη ιατρική τεχνολογία.
“Τα φωνόνια είναι δύσκολο να δημιουργηθούν και να χρησιμοποιηθούν με ελεγχόμενο τρόπο, επομένως εξερευνούμε νέους κανόνες. Σε ένα ευρύτερο επίπεδο, έχει να κάνει με το πώς τα ηλεκτρικά ρεύματα και η ενέργεια αλλάζουν και μετασχηματίζονται μέσα σε προηγμένα ηλεκτρονικά υλικά.”
Λεπτομέρειες μελέτης
Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται Επιστολή φυσικής αναθεώρησης Τίτλος σε χαρτί “Εκπομπή συντονιστικού μαγνητοφωνονίου από υπερηχητικά ηλεκτρόνια σε δισδιάστατα συστήματα υπερυψηλής κινητικότητας.” Από τους Michael Hillock et al.
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Συμβούλιο Έρευνας Φυσικών Επιστημών και Μηχανικής του Καναδά και το Fonds de Recherche du Québec — Nature et Technologie.
