Kvantový mikrofon. Kredit: Wentao Jiang / Stanford.

Když se vibrace v krystalové mřížce přenášejí z místa na místo, tak tím vytvářejí dojem pohyblivé částice. Nejsou to skutečné částice, ale kvazičástice, kterým se říká fonony. Pomocí fononů je možné popsat šíření zvukových vln v krystalech, takže fonon je vlastně kvazičásticí zvukového pole v pevné látce. Fonony jsou zcela nepatrné, podobně jako reálné částice.

Amir Safavi-Naein. Kredit: Stanford University.

Tým ze Stanfordu vyvinul kvantový mikrofon, důmyslné zařízení, které je tak nesmírně citlivé, že dokáže detekovat jednotlivé fonony. Jejich výzkum publikovali v novém čísle časopisu Nature. Taková technologie by mohla vést ke kvantovým počítačům menší a efektivnější konstrukce, které by fungovaly na základně jemných manipulací se zvukem a nikoliv se světlem. S fonony se zachází mnohem jednodušeji než se světlem a jejich vlnové délky jsou mnohonásobně menší než v případě světelných fotonů.

Podle vedoucího výzkumu Amira Safavi-Naeiniho by se jejich zařízení mohlo stát základem pro nové typy kvantových senzorů, transduktorů nebo paměťová zařízení pro kvantové počítače. Taková technologie umožňuje snadno a hladce konvertovat optické signály na mechanické a naopak.

Fonony vymyslel Albert Einstein v roce 1907, jako balíčky vibrační energie rozjitřených atomů. Tato vibrační kvanta se přitom mohou projevovat jako zvuk nebo třeba teplo, v závislosti na jejich frekvenci. Tak, jako fotony v případě světla, jsou i fonony kvanty, což znamená, že zvuk není na kvantové úrovni spojitý, tedy diskrétní.

Fonon v krystalové mřížce. Kredit: FlorianMarquardt / Wikimedia Commons.

Vědci až doposud nebyli schopní změřit stavy jednotlivých fononů v pevných strukturách, protože energie, která stavy fononů odlišuje, je nezměrně malá. Pro představu, energie jednoho fononu je bilion bilionkrát menší nežli energie, která je nutná pro jednu sekundu provozu žárovky.

Tým Stanfordu to dokázal tak, že postavil nejcitlivější mikrofon na světě. Je to kvantový mikrofon a využívá principy kvantové mechaniky, aby s jejich pomocí odposlouchával šepot jednotlivých atomů. V běžném mikrofonu to funguje tak, že přicházející zvukové vlny rozechvějí membránu mikrofonu a její posuny vyvolají měřitelné elektrické napětí. Takový mikrofon by ale nedokázal detekovat jednotlivé fonony, protože je proti tomu Heisenbergův princip neurčitosti.

Safavi-Naeini a spol. postavili zařízení, které dovede přímo měřit počet fononů ve zvukových vlnách. Využili toho, že kvantové zákonitosti nebrání měřit energii, kterou je možné na kvantové úrovni možné určit s teoreticky nekonečnou přesností. Jejich kvantový mikroskop tvoří soustava uspořádaných přechlazených nanomechanických rezonátorů, které jsou tak nepatrné, že je možné je vidět pouze pod elektronovým mikroskopem. Rezonátory jsou spojené se supravodivým obvodem, který funguje jako qubit. Když se nanomechanické rezonátory rozvibrují, tak generují fonony o různých stavech. Jejich energie, které odpovídá jejich stavu, se projeví v podobě různých píků ve spektru qubitu, které je možné elektronicky číst.

Video: Engineering interactions between photons and phonons on the surface of a chip - Amir Safavi Naeini

Literatura

Stanford University 24. 7. 2019, Nature 571: 537–540.