Крошечная квантовая мембрана передаёт звук с рекордно низкими потерями — прорыв в технологиях

Увеличенное изображение мембраны из нитрида кремния. Цвета показывают измеренное движение мембраны в вертикальном направлении. Красный означает, что часть мембраны движется вверх, а синий — вниз. Авторы: Альберт Шлиссер и Сян Си

Когда барабанщик ударяет по барабану, он заставляет мембрану вибрировать, создавая звуковой сигнал, который мы воспринимаем как музыку. Как только вибрации прекращаются, сигнал исчезает.

Теперь представьте ультратонкую мембрану шириной около 10 мм с множеством треугольных отверстий. Исследователи из Института Нильса Бора (Копенгагенский университет) совместно с коллегами из Университета Констанца и ETH Zurich добились почти безупречной передачи вибраций через такую структуру — потери сигнала составляют всего 1 на миллион. Это значительно превосходит даже электронные схемы по эффективности передачи. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Фононы — звуковые сигналы в твёрдых материалах

Сигнал состоит из фононов — квазичастиц, описывающих колебания атомов в кристаллической решётке. Эти колебания передаются от атома к атому, позволяя распространяться сигналу. Однако если сигнал теряет энергию (например, преобразуясь в тепло или искажаясь), его становится невозможно корректно декодировать.

Рекордно низкие потери

Особенность новой мембраны — её исключительная надёжность. Даже при изменении направления сигнала вокруг отверстий потери составляют лишь 1 фонон на миллион. Для сравнения: в аналогичных электронных схемах амплитуда колебаний уменьшается в 100 000 раз быстрее.

Перспективы для квантовых технологий

Ассистент-профессор Сян Си и профессор Альберт Шлиссер подчёркивают, что их работа — фундаментальное исследование, но потенциал огромен. Например, технология может найти применение в квантовых компьютерах, где критически важна точная передача сигналов между компонентами. Другое направление — сверхчувствительные биосенсоры, способные улавливать мельчайшие колебания в организме.

«Сейчас мы экспериментируем с методом, чтобы понять его возможности. Например, создаём более сложные структуры и изучаем, как фононы перемещаются в них или сталкиваются, подобно машинам на перекрёстке. Это поможет раскрыть новые применения», — говорит Альберт Шлиссер.

Как отмечают учёные, фундаментальная наука — это создание новых знаний, и данное исследование открывает двери для будущих технологических прорывов.

Источники: ScienceDaily, University of Copenhagen