A Niels Bohr Intézet munkatársai sikeresen kombinálva a kvantumfizika és a nanofizika eredményeit egy új módszert fejlesztettek ki: lézerrel hűtik a félvezető membránokat. A félvezetők hűtésének megoldása kulcsfontosságú lehet a jövő kvantumszámítógépeinek és az ultraérzékeny szenzorainak kifejlesztéséhez, de jelenleg is rengeteg alkalmazási területen jelentene fejlődést az optimális megoldás megtalálása ‒ a napelemipartól kezdve, a LED-eken keresztül rengeteg elektronikus készülék gyártásáig. A tanulmány a Nature Physics-ben jelent meg.
Az új módszer meglepő módon az anyag felmelegítésén keresztül működik. A kutatók egy 160 nanométer vastag, 1x1 milliméteres félvezető membránt hoztak létre, és ezt világították meg lézerrel egy vákuumkamrában. Amikor a fény eléri a membrán felszínét egy része visszaverődik, egy másik része elnyelődik és apró felmelegedést okoz a membrán felületén, ami kismértékű hőtáguláshoz vezet. A visszaverődött fényt egy tükör segítségével visszairányítják a membránra, és a rendszer így optikai rezonátorként működik. A membrán és a tükör közti távolság folyamatosan változik az apró fluktuációknak köszönhetően, melyek a membrán hőtágulásából adódnak. A tükör és a membrán távolságát változtatva érdekes összefüggések figyelhetők meg a membrán mozgása, a félvezető tulajdonságai és az optikai rezonancia között. Megfelelően megválasztott távolságnál pedig a lézer képes lehűteni a membránfluktuációkat. A módszerrel szobahőmérsékletről mínusz 269˚C-ra voltak képesek lehűteni a membránt.
Az atomok lézeres hűtését évek óta alkalmazzák az Intézetben végzett kvantumoptikai kísérletekben. A technikával közel abszolút nulla fokra tudtak hűteni cézium atomokból álló gázfelhőket a gázok közt fellépő kvantum-összefonódásoknak köszönhetően. Közben optikai módszerekkel vizsgálták az atomok spinjének (belső impulzusmomentumának) ingadozásait.
Ahogy Eugene Polzik, a Koppenhágai Egyetem professzora kifejtette: régóta kíváncsiak voltak arra, hogy meddig lehet kiterjeszteni a kvantummechanika határait, érvényesülnek-e ennek a hatásai makroszkopikus anyagi méretekben is. „Ez egészen új lehetőségeket vethet fel az optomechanikában, amely az optikai sugárzás, vagyis a fény és a mechanikai mozgás kölcsönhatásait vizsgálja.” Sokáig azonban nem tudták, hogy milyen anyagot használhatnának egy efféle kísérletre.
2009-ben Peter Lodahl ‒ aki akkoriban még vendégelőadó volt, azóta kutatócsoport tagja lett ‒ előadást tartott az egyetemen, és bemutatott különleges fotonikus kristályból álló membránt, amelynek anyaga a félvezető tulajdonságokkal rendelkező gallium-arzenid (GaAs) volt. Polzik rögtön felismerte az anyag alkalmazásának előnyeit, és javasolta, hogy ezt a fajta membránt használják az optomechanikai kísérletekben, ahogy ezt aztán meg is tették.
„A félvezető nanomembránok mechanikai rezgésének hatékony lehűtése fény segítségével újfajta szenzorok kifejlesztéséhez vezethet az elektromos áram vagy a mechanikai erők mérésére… Ez a hűtési mód egyes esetekben helyettesíthetné a manapság használt drága kriogén fagyasztási eljárásokat, és olyan szélsőségesen érzékeny szenzorok létrehozását tenné lehetővé, amelyek működésének csak a kvantumfluktuáció szabhatna határt” ‒ folytatta Polzik.
