Физики уловили звучание атома

Справа: искусственный атом генерирует звуковые волны, обозначенные в виде ряби на поверхности твёрдого тела. Слева: "микрофон" из металлических пластин ловит звук в виде поверхностных акустических волн.

(иллюстрация Philip Krantz, Krantz NanoArt).

Снимок микроскопа, демонстрирующий искусственный атом, способный излучать и поглощать звук, который движется по поверхности микрочипа

(фото Martin Gustafsson/Maria Ekström).

Увеличенный снимок микроскопа, показывающий искусственный атом с интегрированным сверхпроводящим устройством квантовой интерференции SQUID

(фото Martin Gustafsson/Maria Ekström).

Взаимодействие между атомами и светом хорошо изучено и описано разделом физики под названием квантовая оптика. В то же время отношения атомов и звуковых волн являются плохо изученными.

Чтобы исправить это недоразумение, команда физиков из Технологического университета Чалмерса создала связь между акустическими волнами и искусственными атомами. Роль последних исполняли квантовые электрические цепи.

Справа: искусственный атом генерирует звуковые волны, обозначенные в виде ряби на поверхности твёрдого тела. Слева: "микрофон" из металлических пластин ловит звук в виде поверхностных акустических волн.
(иллюстрация Philip Krantz, Krantz NanoArt).

Для своего эксперимента учёные создали искусственный атом. Это своего рода пример квантовой электрической цепи: так же как и обычный, искусственный атом регулярно испускал энергию в виде заряженных частиц. Только в природе это, как правило, частицы света, а в эксперименте физики использовали энергию звуковых волн.

В своём опыте учёные использовали звук с частотой 4,8 гигагерца, что близко к микроволнам, использующимся в современных беспроводных сетях. А говоря музыкальным языком, этот звук на 20 октав выше самой высокой ноты на клавиатуре рояля.

При таких высоких частотах длина волны звука становится достаточно маленькой, чтобы её можно было направить вдоль поверхности микрочипа. На том же самом чипе был помещён искусственный атом из сверхпроводящего материала, длина которого составляла 0,01 миллиметра.

Снимок микроскопа, демонстрирующий искусственный атом, способный излучать и поглощать звук, который движется по поверхности микрочипа
(фото Martin Gustafsson/Maria Ekström).

"Согласно теории, звук атома делится на потоки квантовых частиц. Такая частица является самым слабым проявлением звука, который только может быть обнаружен. А поскольку звук движется медленнее в 100 тысяч раз, чем свет, наш акустический атом открывает перед нами возможности контроля над квантовой системой. Так мы можем научиться манипулировать квантовыми частицами звука во время их полёта сквозь пространство", — рассказывает соавтор исследования Мартин Густафссон (Martin Gustafsson) в пресс-релизе.

Акустическая длина волны короче световой. Атом, который взаимодействует со световыми волнами, должен иметь определённый размер. будет меньше, чем сама длина световой волны. В случае звуковой волны атом может быть значительно больше, а это значит, что его свойства лучше поддаются контролю извне. Например, можно заставить атом взаимодействовать только со звуком определённой длины волны или сделать отклик атома на звук ощутимее.

Увеличенный снимок микроскопа, показывающий искусственный атом с интегрированным сверхпроводящим устройством квантовой интерференции SQUID
(фото Martin Gustafsson/Maria Ekström).

"Мы открыли дверь в новый раздел квантовой физики, где мы можем буквально слышать атомы. Наша долгосрочная цель заключается в использовании квантовомеханических принципов, например, для создания чрезвычайно быстрых вычислительных машин. Мы построим электрические цепи, которые будут подчиняться квантовым законам. Мы будем их контролировать и изучать их", — говорит ведущий автор исследования Пер Делсинг (Per Delsing).

Статья с результатами исследования была опубликована в журнале Science.

Также по теме:
Физики создали квантовый микрофон
Физики сделали снимок атома водорода
Учёные впервые различили химические связи внутри молекулы
Физики впервые увидели танцы электронов в молекуле
Физики впервые сфотографировали тень атома