Studier av propagerande akustiska vågor på en-fonon-nivå

Forskningsprojekt, 2012 – 2014

Under senare år har många forskargrupper försökt att studera kvantmekaniska effekter i nanomekaniska system. Detta är en svår uppgift eftersom ett energikvantum (en fonon) måste ha en betydligt större energi än den termiska energin för att undvika termiskt genererade fononer. Med tillgängliga kylmetoder som normalt kan kyla saker till 20 mK innebär detta att man måste nå frekvenser i GHz området. Nanoresonatorer i form av balkar eller trummor används ofta, där man studerar vibrationer. Under de senaste åren har flera banbrytande experiment gjorts och vibrationer i sådana resonatorer har mätts nära den kvantmekaniska gränsen. Man har också lyckats att koppla ihop en trummliknande resonator med en supraledande qubit. Mekaniska vågor som förflyttar sig, som t.ex. ljud i fasta material, har man dock inte lyckat observera på kvantnivå. Detta är främst eftersom de passerar mycket snabbt och känsligheten hos detektorerna har inte varit tillräckligt hög. Ett exempel på sådana mekaniska vågor är ytakustiska vågor (SAW-vågor) som finns på skalor alltifrån den mikroskopiska till den seismiska. De liknar krusningar på vatten, men finns i fasta material. På en piezoelektrisk yta, kan SAW-vågor med våglängder på enstaka mikrometer och mindre effektivt genereras och styras med hjälp av nanofabricerade givare. Vågorna har låga förluster vid utbredning och reflektion, så att de utnyttjas för en mängd olika elektromekaniska tillämpningar, inklusive resonatorer och filter. I denna ansökan föreslår vi att använda den ultra-känsliga enelektrontransistor (SET) för att studera akustiska vågor på en-fonon nivå. I ett preliminärt experiment har vi nyligen kunnat visa extremt hög känslighet för mekaniska vågor. Den mekaniska vågen konverterar via den piezoelektriska effekten mekanisk förskjutning till elektrisk laddning och vi använder på så sätt SETens extrema laddningskänsligheten för att detektera en SAW-våg. Detta ger oss en förskjutningskänslighet på 30 am/√ Hz!!! Vi har använt denna metod för att studera SAW-vågor med en frekvens på 1GHz på ytan av GaAs. Vi kan följa SAW-pulser i tiden när de passerar SETen. Genom att medelvärdes bilda signalen från SETen kan vi till och med detektera pulser som i medeltal innehåller mindre än en fonon. Detta är ett långsiktigt projekt med det övergripande målet är att studera kvantmekaniska egenskaper hos enskilda fononer. Bland annat kan man tänka sig att koppla fononerna till supraledande kvantbitar och att studera fonon-fonon växelverkan i detalj.

Deltagare

Finansiering

Publikationer

Quantum Acoustics with Surface Acoustic Waves

Mer information

Senast uppdaterat