Создан самый маленький в мире конденсаторный сенсор
В Венском техническом университете (TU Wien) достигли рекордного уровня миниатюризации и точности — там создан конденсатор с зазором 32 нм. Разработка, описанная в Advanced Materials Technologies, сулит огромные перспективы в квантовой метрологии.
Разумеется, этот рекорд — не просто демонстрация миниатюризации. Он стал частью обширной стратегии TU Wien по созданию аппаратных платформ, которые сделают квантовые сенсоры более удобными, надежными и универсальными.
В классических оптомеханических экспериментах движение микроскопических структур считывается с помощью света. Однако оптические схемы хрупки, сложны и неудобны для интеграции в чипы. Поэтому в TU Wien сделали ставку на другие типы колебаний, лучше подходящие для создания миниатюрных датчиков.
На пути к квантовому пределу
В 32-нанометровом конденсаторе эту роль выполняет электрический резонансный контур. В других экспериментах исследователи использует чисто механические резонаторы, колебания которых можно целенаправленно связывать друг с другом.
Обе технологии преследуют одну цель: довести точность механических и электромеханических наноструктур до уровня, когда измерения будут ограничены только фундаментальными законами квантовой физики.
Сверхточные измерения через колебания
Если ударить по барабану, его мембрана начнет вибрировать. По звуку можно определить, насколько она натянута, объясняет Даниэль Платц из Института сенсорных и актуаторных систем TU Wien, который руководил проектом.
«Таким же образом на колебания нашей наномембраны влияют различные параметры. Наша алюминиевая мембрана вместе с электродом образует миниатюрный конденсатор. Вкупе с "нарисованной" на чипе индуктивностью получается контур, чья резонансная частота чрезвычайно чувствительна к любым изменениям механических колебаний», — говорит он.
Такая связь между движением мембраны и электрическим резонансом позволяет измерять самые слабые вибрации. Обычно подобные измерения сопровождаются шумом — во-первых, тепловым, во-вторых, оптические или электрические сигналы по своей природе нестабильны, поскольку состоят из дискретных частиц.
Хотя оптические методы измерения в принципе могут быть очень точными, разработки TU Wien обеспечивают более низкий уровень шума, ограниченный только законами квантовой физики — и без использования оптических компонентов.
Это делает технологию идеальной для атомно-силовой микроскопии. В атомно-силовом микроскопе тонкое острие перемещается над поверхностью. Крошечные силы между атомами поверхности и острия вызывают вибрации — измеряя их, можно получить предельно точное изображение поверхности.
Путь в квантовый мир
На самом деле, даже электрический резонансный контур не обязателен. Авторы экспериментально доказали, что вместо него можно применять и чисто механические системы, интегрированные на чипе.
«С точки зрения квантовой теории нет принципиальной разницы между работой с электромагнитными колебаниями или механическими вибрациями — математически их можно описать одинаково», — подчеркивает соавтор исследования МинХи Квон.
Это также смягчает требования к охлаждению квантовых сенсоров. «Даже при комнатной температуре колебания чисто микромеханической системы могут быть связаны на гигагерцовых частотах без помех от теплового шума. Это удивительно, учитывая, что многие современные квантовые сенсоры работают лишь вблизи абсолютного нуля», — отмечает Платц.
Исследователи полны оптимизма.
«Мы продемонстрировали, что наши наноструктуры обладают ключевыми свойствами, необходимыми для создания нового, надежного и высокоточного поколения квантовых сенсоров. Дверь в квантовый мир теперь открыта — и мы с нетерпением ждем, что найдем за ней», — заключил инженер-физик.
