תהודה קוונטית שוברת את הכלל התרמי

חוקרים גילו התפלגות טמפרטורה לא אחידה במהודים מיקרו-מכניים, שהשפיעו על התכנון והביצועים שלהם במדעי הקוונטים ובחישת דיוק.

כאשר מודדים שינויים מינוריים עבור כמויות כמו כוחות, שדות מגנטיים, מסות של חלקיקים קטנים, או אפילו גלי כבידה, פיזיקאים משתמשים במהודים מיקרו-מכניים, הפועלים כמו מזלגות מכוון, מהדהדים בתדרים ספציפיים. באופן מסורתי, ההנחה הייתה שהטמפרטורה על פני מכשירים אלה היא אחידה.

משתנה טמפרטורה במהודים

עם זאת, מחקר חדש של עמית JILA ופרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת קולורדו בולדר סינדי ריגל והצוות שלה, ד"ר רביד שניב והסטודנט לתואר שני כריס ריץ מצאו שבתרחישים ספציפיים, כמו מחקרים מתקדמים המתבוננים באינטראקציות בין אור לאובייקטים מכניים, הטמפרטורה עשויה להיות שונה בחלקי תהודה שונים, מה שמוביל להתנהגויות בלתי צפויות. התצפיות שלהם, שפורסמו ב מחקר סקירה פיזיתיכול לחולל מהפכה בתכנון של מהודים מיקרו-מכניים עבור טכנולוגיה קוונטית וחישה מדויקת.

"בניסויים במדעי הקוונטים, הבנת ההשלכות של הבדל הטמפרטורה הזה תאפשר לך ליצור את המצב הקוונטי המכני שלך בנאמנות טובה יותר ולשמור אותו ללא הפרעה למשך זמן רב יותר, שתיהן נקודות מוצא חיוניות ליישומים קוונטיים", הרחיב שותף למחקר פוסט-דוקטורט של JILA והסופר הראשון רביד שניב.

האופנים של מודדי דקות

בשל העיצוב הגמיש שלהם, מהודים מיקרו-מכניים הם כלי סטנדרטי בתחומים רבים ושונים של הפיזיקה. התקנים אלה עשויים לרוב מסיליקון או חומרים דומים ויכולים ללבוש צורות שונות: קורות, שלוחות, ממברנות או דיסקים. גודלם הקטן מאפשר להם לנוע בתדרים גבוהים, לרוב בטווח מגה-הרץ (MHz) ועד גיגה-הרץ (GHz).
הרבגוניות של עיצוב מהוד מיקרו-מכני מאפשרת גם לפיזיקאים לכוונן עדין את התנודות שלהם. בדיוק כפי שמיתר גיטרה יכול לרטוט במספר דרכים (כאשר כל המיתר נע קדימה ואחורה או רק חלקים מתנועעים בזמן שהשאר נשאר דומם), תהודה מיקרו-מכנית יכולה להתנודד בתבניות או "מצבים" שונים. המצב המוכר ביותר הוא המצב הבסיסי, שבו כל המבנה נע ביחד. אבל יש גם מצבים מסדר גבוה יותר, שבהם חלקי תהודה אחרים נעים בתבניות מורכבות יותר.

כדי למדוד תנועת תהודה, פיזיקאים משתמשים בקרני לייזר. המהוד פועל כמו "מראה זזה", ואור הלייזר שמנתר נושא מידע על מיקומו. בהשוואה לאור שמקפיץ מראה קבועה נפרדת, מתפתחת דפוס הפרעות שחושף את תנועת המהוד לרמת דיוק גבוהה במיוחד.

במהלך השנים שבהן התבוננו במצבים אלה בצורה אופטית ודנו בהם עם פיזיקאים אחרים, שניב וריגל הבינו משהו מעניין. "אנשים הבחינו שחלק מהמצבים הללו מציגים יותר תנועה תרמית מאחרים", קבע שניב. "בדרך כלל, אנשים רוצים לבטל את התנועה הזו ככל האפשר מכיוון שהיא עלולה להאפיל על כל השפעה קטנה שהם רוצים לחוש."

פיזיקאים טענו שעודף זה של תנועה תרמית יכול לנבוע מכך שהמהוד סופג אור לייזר בצורה של חום. מצבי תהודה שונים יכולים להיות בעלי דפוסי תנועה שונים, המובילים לאזורים משתנים של מתח או מתח, אשר יכולים, בתורם, להוביל לגדלים ברורים של תנועה תרמית.

בתצפיות רבות, ככל שמצב המהוד מורכב יותר, כך האנרגיה התרמית שלו חורגת יותר מהתיאוריות הקודמות, שהציעו שהטמפרטורה בכל מצב זהה. שניב המשיך: "רצינו לאתר את הסיבה לכך וכיצד ניתן להשיג את העיצוב האופטימלי עבור המצבים הללו".

יצירת פרופילי טמפרטורה

כדי לצלול עמוק יותר לתוך חידת הטמפרטורה הזו, שניב וריגל יצרו פרופילי טמפרטורה ספציפיים לכל מצב. לשם כך, החוקרים השתמשו ב"גביש פונוני" המורכב מסיליקון ניטריד. הגביש פעל כמגרש משחקים שבו החוקרים יכלו להנדס את מצבי התהודה וליצור פרופילי טמפרטורה משתנים, מה שמאפשר להם לצפות בתנועה התרמית המושרה של כל מצב מהוד.

כדי ליצור את פרופיל הטמפרטורה, הצוות חימם נקודה על גביש לטמפרטורות גבוהות מאוד תוך שמירה על קצה התהודה בטמפרטורת החדר. לאחר שפותח פרופיל ונמדדה תנועה תרמית, החוקרים מצאו כמה תוצאות מעניינות למדי. בהתאם לגיאומטריית המצב, מצבים מסוימים הראו תנועה תרמית מוגברת, בעוד שלמרות שחלקים של המהוד היו חמים במיוחד, אחרים הראו חימום קל בלבד, וחלקם לא הפגינו חימום כלל. "על ידי סיבוב הכפתור עד הסוף בניסוי, אתה יכול לראות את ההבדל הבולט הזה", פירט ריגל.

שניב המשיך: "בהסתכלות על הבדלי הטמפרטורה הגדולים באמת בין המצבים, הצלחנו לבנות את פרופיל הטמפרטורה של מהוד ישירות מתנועה תרמית מדודה ואפילו למצוא כמה פרמטרים של חומרים שבדרך כלל לא פשוטים להעריך, למשל, את הפליטה, שזו כמות הקרינה שהמכשיר שלנו פולט".
על ידי בחינת המצבים המתואמים לתנועות תרמיות שונות, הצוות יכול להתחיל לחזות כיצד ביצועי התהודה עשויים להשתנות בהתאם למצב שלהם. כפי שהסביר ריגל: "השלב הבא הטבעי הוא לשאול האם ניתן להשתמש במושגים האלה לא רק בהבנה כיצד לשמור על מהודים קרים למחקרי קוונטים אלא גם בחישה תרמית."

תכנון מהודים טובים יותר

עם התובנות שהושגו, הקהילות המדעיות וההנדסיות יכולות לעשות צעדים משמעותיים בתכנון ויישום המכשירים הזעירים אך החיוניים הללו. "למעשה נתנו במאמר שלנו נתון של הכשרון, שאיתו קבוצות יכולות לעבוד בכיוון הזה", פירט שניב. "לדוגמה, כעת יש לנו פרמטר ספציפי לזרוק כאילוץ למחשב ולנסות לייצר את המהוד הטוב ביותר האפשרי."