Físicos del Laboratorio de Baja Temperatura de la Universidad Aalto han demostrado cómo un oscilador nanomecánico puede utilizarse para la detección y amplificación de ondas de radio débiles o microondas.

Una medición con un dispositivo tan pequeño, que se asemeja a una cuerda de guitarra miniaturizada, puede realizarse con la menor perturbación posible. Los resultados se publicaron recientemente en el ámbito científico más prestigioso, la revista británica Nature.

Los investigadores enfriaron el oscilador nanomecánico, mil veces más fino que un cabello humano, hasta una temperatura baja cercana al cero absoluto de -273 grados centígrados. En condiciones tan extremas, incluso los objetos de tamaño casi macroscópico siguen las leyes de la física cuántica, que a menudo contradicen el sentido común. En los experimentos del Laboratorio de Baja Temperatura, los casi mil millones de átomos que componían el resonador nanomecánico oscilaban en ritmo en su estado cuántico compartido.

Los científicos habían fabricado el dispositivo en contacto con un resonador de cavidad superconductor, que intercambia energía con el resonador nanomecánico. Esto permitía amplificar su movimiento resonante. Esto es muy similar a lo que ocurre en una guitarra, donde la cuerda y la cámara de eco resuenan a la misma frecuencia. En lugar de que el músico tocara la cuerda de la guitarra, la fuente de energía la proporcionaba un láser de microondas.

Las microondas se amplifican por la interacción de oscilaciones cuánticas
Investigadores del Laboratorio de Baja Temperatura de la Universidad Aalto han demostrado cómo detectar y amplificar señales electromagnéticas casi sin ruido usando un cable mecánico vibrador tipo cuerda de guitarra. En el caso ideal, el método añade solo la cantidad mínima de ruido requerida por la mecánica cuántica.

Los amplificadores de transistores semiconductores que se usan actualmente son dispositivos complejos y ruidosos, y operan lejos de un límite fundamental de perturbación establecido por la física cuántica. Los científicos del Laboratorio de Baja Temperatura demostraron que, aprovechando el movimiento resonante cuántico, la radiación de microondas inyectada puede amplificarse con poca perturbación. Por tanto, el principio permite detectar señales mucho más débiles de lo habitual.

Cualquier método o dispositivo de medición siempre añade alguna perturbación. Idealmente, todo el ruido se debe a fluctuaciones de vacío predichas por la mecánica cuántica. En teoría, nuestro principio alcanza este límite fundamental. En el experimento, nos acercamos mucho a este límite, dice el Dr. Francesco Massel.
El descubrimiento fue en realidad bastante inesperado. Nuestra intención era enfriar el resonador nanomecánico hasta su estado fundamental cuántico. El enfriamiento debería manifestarse como un debilitamiento de una señal de sonda, como observamos. Pero cuando cambiamos ligeramente la frecuencia del láser de microondas, vimos que la señal de sondeo se fortaleció enormemente. Habíamos creado una limitación casi cuánticaComponentes de la guía de onda, dice la investigadora de la Academia Mika Sillanpää, quien planificó el proyecto y realizó las mediciones.
Ciertas aplicaciones reales se beneficiarán de un amplificador mejor basado en el nuevo método Aalto, pero alcanzar esta etapa requiere más esfuerzo de investigación. Lo más probable es que el amplificador mecánico de microondas se aplique primero en investigaciones básicas relacionadas, lo que ampliará aún más nuestro conocimiento sobre la frontera entre el mundo cotidiano y el ámbito cuántico.

Según el investigador de la Academia Tero Heikkilä, la belleza del amplificador reside en su simplicidad: consta de dos osciladores acoplados. Por lo tanto, el mismo método puede realizarse en prácticamente cualquier medio. Utilizando una estructura diferente de la cavidad, se podía detectar radiación terahercio, que también sería una aplicación importante.

La investigación se llevó a cabo en el Laboratorio de Bajas Temperaturas, que pertenece a la Escuela de Ciencias de la Universidad Aalto y forma parte del Centro de Excelencia en Fenómenos y Dispositivos Cuánticos de Baja Temperatura de la Academia Finlandesa. Los dispositivos utilizados en las mediciones fueron fabricados por VTT Nanotechnologies y microsistemas. La investigación fue financiada por la Academia Finlandesa, el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y la Unión Europea.