Шведы уловили сверхслабый звук квантовым микрофоном

Новое устройство способно почувствовать механические колебания, пробегающие по твёрдой поверхности, с высотой гребней в несколько процентов от диаметра протона. Поведение таких слабых звуков определяется уже в большей степени квантовой механикой, чем классической физикой.

Схема квантового микрофона, расположенного на подложке. Пробегающие по ней поверхностные акустические волны для наглядности преувеличены (иллюстрация Philip Krantz, Chalmers).

Только пару лет назад мы удивлялись микрофону, различающему плеск жгутиков у бактерий. Но те шумы – это просто настоящий рёв урагана, в сравнении со звуками, на которые нацелен новый прибор, созданный специалистами из технологического университета Чалмерса.

Их квантовый микрофон основан на одноэлектронном транзисторе с пьезоэлектрической связью. Этот переключатель пропускает только один электрон при срабатывании.

Поверхностные механические волны, проходящие по кристаллу, на котором лежит микрофон, вызывают небольшое смещение зарядов в атомах. Этого смещения достаточно для переключения транзистора, которое далее фиксируется электроникой. Так микрофон способен записывать очень слабый звук.

Для проверки работы прибора, учёные построили на поверхности чипа трёхмиллиметровую эховую камеру. С помощью квантового микрофона они отслеживали, как акустические волны прокатываются внутри камеры и отражаются от её стенок.

Использованные в опыте колебания слишком малы для других методов детекции. Частота звука составляла 932 МГц, а длина волны – 3 мкм (но при этом чувствительный элемент микрофона — ещё меньше).

Авторы опыта полагают, что необычный микрофон позволит провести ряд новых опытов. В частности, можно будет создавать гибридные установки, скрещивающие классические и квантовые системы, исследовать квантовую акустику, например, зондировать взаимодействие фононов в кристаллической решётке или отслеживать акустическую связь между сверхпроводящими кубитами.

(Детали работы раскрывает статья в Nature Physics.)