AZ 
Kvant səslərinə köklənmə: Akustik cihazlar kvant sensorlarını sadələşdirir
Uitni Klavin, Kaliforniya Texnologiya İnstitutu tərəfindən
redaktə edən: Gaby Clark , rəy verən: Robert Egan
Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin
Pyezoelektrik nazik təbəqəli litium niobatından (mavi) hazırlanmış və alüminium elektrodlarla (boz) işə salınmış bir sıra giqahers nanomekanik rezonatorları göstərən skanedici elektron mikroqrafı. Bu işdə araşdırılan qeyri-xəttilikləri təqdim etmək üçün rezonator həcmindəki daxili material qüsurları kifayətdir. Kredit: Oliver Hitchcock/Stanford Universiteti
Müğənni gitara ifaçısı musiqini ifa edərkən bir musiqi parçası çəkəndə səs dalğaları havada hərəkət edərək molekulların kollektiv rəqslərini hərəkətə gətirir. Bu vaxt kvant səviyyəsində də oxşar bir şey baş verir. Bədənimizdən metallara və daha çox şeyə qədər hər şeyin içərisindəki atomlar təbii olaraq hərəkət edərək material üzərində dalğalanan kiçik rəqs dalğaları yaradır. Bu rəqslər fononlar kimi tanınır: səs dalğalarının kvant versiyası.
Kvant davranışının NEMS-ə qurulması
İndi Kaliforniya Texnologiya Universiteti və Stanford Universitetinin fizikləri fononların kvant davranışlarını yalnız cihazı təşkil edən materialın daxili xüsusiyyətləri vasitəsilə nümayiş etdirməsinə imkan verən nanoelektromexaniki sistemlər (NEMS) adlanan cihazlar hazırlayıblar. Əvvəllər bu cür davranışı superkeçirici kubit kimi xarici kvant cihazının köməyi olmadan müşahidə etmək mümkün deyildi.
Bu o deməkdir ki, bu yeni kəşf edilmiş mexanizm vasitəsilə tək bir NEMS cihazı, məsələn, çox sadələşdirilmiş və çox kompakt kvant sensoru və ya qubit kimi xidmət edə bilər.
Daha dəqiq desək, işin məqsədi NEMS-in titrəmələrini qeyri-xətti etməkdir. Qeyri-xətti sistemdəki enerji səviyyələrini nərdivanın pillələri kimi təsəvvür etsəniz, sanki nərdivanın pillələri bərabər məsafədə deyil.
“Kvant tətbiqləri üçün xətti sistemlər istəmirsiniz, çünki o zaman sistemin hansı vəziyyətdə olduğunu deyə bilməzsiniz – sistemin edə biləcəyi bütün addım dəyişiklikləri eyni görünəcək”, – deyə Kaliforniya Texnologiya Universitetinin doktoranturadan sonrakı alimi və yeni tədqiqatın həmmüəllifi Mert Yüksel (fəlsəfə doktoru) bildirir. “Beləliklə, qeyri-xəttilik məqsəddir və indi biz buna NEMS-də daxili olaraq nail ola bilərik.”
Kvant akustikası adlanan inkişaf etməkdə olan bir sahənin bir hissəsi olan yeni iş, materiallarda son dərəcə kiçik dəyişiklikləri dəqiq aşkar etmək üçün tək fononlardan istifadə edən kvant sensor cihazlarının yaradılması istiqamətində növbəti addımdır. Nature Physics jurnalında dərc edilən tapıntılar , Caltech-Stanford komandasının əsas diqqət mərkəzində olan bioloji ölçmələrlə yanaşı, kvant hesablamalarında və kvant rabitəsində də tətbiq olunur.
Təbiət Fizikası tədqiqatı “Nanomekanik sistemdə daxili fononik geyimli vəziyyətlər” adlanır.
Tək molekulları dinləmək
Yüksel deyir: “Məqsədimiz əsasən molekulları dinləməkdir. Fononlar cihazımızda yaşayır və hiss etdiyimiz şey, məsələn, cihazın üzərinə enən bir molekul kimi, bu fononlarla birləşən hər hansı bir şeydir. Biz molekulların unikal xüsusiyyətləri haqqında məlumat əldə etmək istəyirik: daxili quruluşu, necə işlədikləri, dərmanlara necə bağlandıqları, aktiv və passiv vəziyyətlər arasında necə keçdikləri və s.”.
Stanford Universitetinin aspirantı və yeni tədqiqatın həmmüəllifi Metyu Maksimoviç deyir: “Bu səy üçün cihazlarımızın ətraf mühit dəyişikliklərinə son dərəcə həssas olması, eyni zamanda saxta siqnallardan və səs-küydən qaçınmaq üçün kifayət qədər sabit olması vacibdir. İşimizin böyük bir hissəsi bu paradoksu həll etməyə yönəlib.”
Kvant səviyyəsində işləməklə, sensorlar molekullar və onların dinamikası haqqında daha dərin məlumatları açmaq potensialına malikdirlər.
“Biz fərdi molekullar üzərində kvant ölçmələri aparmaq üzərində işləyirik “, – deyə Kaltek Universitetinin Fizika, Tətbiqi Fizika və Biomühəndislik üzrə Frank J. Roşek professoru və yeni tədqiqatın baş tədqiqatçısı Maykl Ruks bildirib.
“Cihazlarımızı temperaturu aşağı salmaqla kvant rejiminə gətirdikdə, əsas ideya zülal strukturlarının daxili dinamikasını ən fundamental səviyyədə dinləyə bilməyimizdir.”
Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .
Kvant optikasından kvant akustikasına
Kvant optikası sahəsi işıqın diskret paketləri olan tək fotonlara diqqət yetirsə də, kvant akustikası fononlar kimi tanınan vibrasiya enerjisinin diskret paketlərini araşdırır. (“Fonon” sözü yunanca səs mənasını verən phōnē sözündən gəlir.)
Son illərdə tədqiqatçılar kvant akustika cihazlarında irəliləyişlər əldə ediblər. Məsələn, Çikaqo Universiteti və Yel Universitetindəki komandalar tək fonon səviyyəsində işləmək üçün kiçik mexaniki cihazlar hazırlayırlar, lakin onların işləməsi üçün superkeçirici kubit kimi başqa bir cihazla birləşdirilməlidir.
Yeni tədqiqatda tədqiqatçılar əlavə xarici qurğuya ehtiyac olmadan NEMS cihazını tək fonon səviyyəsində işləmək üçün kökləyiblər.Qablaşdırılmış cihaz çipinə, seyreltmə soyuducusunda kriogen təcrübələrə hazırlıq məqsədilə çap dövrə lövhəsinə birləşdirilmiş naqilə baxış. Müəllif: Oliver Hitchcock/Stanford Universiteti
Qüsurları faydalı bir xüsusiyyətə çevirmək
Bu yeni NEMS dizayn sxemi, iki səviyyəli sistemlər kimi tanınan materiallarda bir fenomendən faydalanır. Bu sistemlərdə atomlar bir material daxilində hər ikisi enerji baxımından əlverişli olan iki fəza konfiqurasiyası arasında dəyişir – insan üçün bu, şezlonqda iki rahat mövqe arasında irəli-geri getmək kimi olardı.
Rukes deyir ki, normalda bu iki səviyyəli hallar qüsur hesab olunur, çünki onlar “parazitar şəkildə kvant sistemlərindən enerji oğurlaya” bilərlər.
Lakin, yeni iş NEMS cihazlarının naxışlandığı materiallarda təbii olaraq meydana gələn bu qüsurlardan faydalanır . Tədqiqatçılar cihazın temperaturunu aşağı salmaqla və elektromaqnit və ya mexaniki qüvvələr tətbiq etməklə cihazı qeyri-xətti effektlər yaranacaq şəkildə qüsurlarla rezonansda olmağa uyğunlaşdıra bildilər.
Yüksel deyir ki, “Bu, radio stansiyası kimidir və müxtəlif qüsurları dinləmək üçün onu tənzimləyə bilərsiniz”.
Uzun müddətdir problemli olan material qüsurlarını yenidən düşünmək
Hazırda Stanford Universitetində tətbiqi fizika professoru və yeni tədqiqatın həmmüəllifi olan Əmir Səfəvi-Naeini (fəlsəfə doktoru) deyir: “1970-ci illərdən bəri insanlar aşağı temperaturlu bərk cisimlərin iki səviyyəli sistem qüsurları, iki konfiqurasiyanın superpozisiyalarında bir atom və ya atomlar toplusu və aralarında tunel olduğu kiçik ikiqat quyu potensialları ilə dolu olduğunu iddia edirlər.”
“Bu daxili qüsurlar böyük bir başağrısıdır və amorf və kristal materiallarda enerji itkisini və kvant dekoherensini izah etmək üçün istifadə edilən standart izahatdır. Etiraf etməliyəm ki, Mert və Mettyudan alınan məlumatları görənə qədər yeni nəticələrə inanmırdım, NEMS cihazındakı tək bir qüsurun tək fonon həssaslığını yaratmaq üçün kifayət etdiyini.”
Maksymovych əlavə edir: “Cihazımızdakı fononların, ehtimal ki, bir neçə atomdan ibarət olan fərdi bərk cisim qüsurlarını bu qədər təkrarlana bilən şəkildə hiss etməsini olduqca təəccüblü hesab edirəm. Tək atomlu kvant optikası təcrübələrini milyardlarla atomdan ibarət olan bir material təbəqəsi ilə təkrarlaya bilməyimiz həqiqətən təəccüblü idi.”
Tədqiqatçılar növbəti addımın təbii olaraq baş verən qüsurlara etibar etmək əvəzinə, NEMS cihazlarında öz qüsurlarını yaratmaq olduğunu söyləyirlər. “Ümid edirik ki, kvant ölçmələrinin yeni bir dövrünü açırıq”, Roukes deyir. “Kvant dünyasının səslərini duymağa imkan verən bir dövr.”
Nəşr detalları
M. Yüksel və digərləri, Nanomekanik sistemdə daxili fononik geyimli vəziyyətlər, Təbiət Fizikası (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03225-3
Jurnal məlumatları: Təbiət Fizikası
Əsas anlayışlar
AkustikaMexaniki və akustik xüsusiyyətlərKvazipartiküllər və kollektiv həyəcanlarİki səviyyəli modellər
Kaliforniya Texnologiya İnstitutu tərəfindən təmin edilir Bu hekayənin arxasında kim dayanır?
Qeb Klark
İngilis dili üzrə magistr dərəcəsi, 2021-ci ildən bəri mətn redaktoru, ali təhsil və səhiyyə sahəsində təcrübəyə malikdir. Etibarlı elm xəbərlərinə həsr olunub. Tam profil →
Robert Egan
Riyazi biologiya üzrə bakalavr, yaradıcı yazı üzrə magistr dərəcəsi. Elm və dilə dair unikal perspektivləri olan səyahətlər. Tam profil →
Daha ətraflı araşdırın
Kvant rabitəsi üçün yaxşı titrəmələr: Mühəndislər tək fononu tək atom spinə qoşurlar
