《提升和冷却》

• 来源专题：纳米科技
• 编译者： 郭文姣
• 发布时间：2020-03-17

将机械谐振器与电子晶体管相结合制成的灵敏传感器可用于检测小分子气体、DNA链甚至氦的超流体。这些元件是耦合的，因此谐振器的运动影响通过晶体管的电流，因此可以用电信号来测量机械位移。在小范围内，晶体管的波动会反过来对谐振器产生机械扰动，这种效应被称为电子反作用。

现在，两个研究小组在《自然物理》杂志上发表文章，利用电子反作用力进行不同的应用。研究小组使用了类似的装置:碳纳米管，既是晶体管又是谐振器，悬浮在两个电极之间。Edward Laird和他的同事发现，由反作用力引起的自维持振荡可以用来产生相干声子源。在另一项研究中，Adrian Bachtold和他的同事利用反向作用将纳米管冷却到只有几个量子能量。

在这样的纳米机电系统中，检测小的力并将这些力转换成可测量的电信号是一个挑战。Laird解释说:“当一个电子跃迁到谐振器上时，所增加的静电力还不到1微微吨。”“为了响应这个力，我们必须使用我们能制造的最小的机械振荡器，这就是使用悬浮碳纳米管的原因。即便如此，我们需要探测到的运动也是微小的。”

利用射频技术和超导放大器来测量纳米谐振器的运动。静电门控制着纳米管中电子的数量。在一定的栅极电压下，特定数量的电子在纳米管中，在谐振器运动和晶体管中的电子隧穿之间形成一个反馈回路。Laird和他的同事们利用这个反馈回路创造了一个自我维持的相干振荡，类似于声子激光源。

在第二项研究中，Bachtold和他的团队利用反作用力来抑制纳米管的机械振荡。这个系统的反作用机制略有不同。使用了更导电的碳纳米管，结果电流的波动是由焦耳加热引起的。利用这项技术，研究人员将纳米管冷却到不到5量子能量。

利用这种尺度的电子-声子相互作用，开辟了一个观察极化子物理的新平台。如果系统可以冷却到基态，同时保持机械振动的非线性，Bachtold希望可以实现机械量子位。“与现有的量子位元相比，机械量子位元可能更容易耦合到不同的量子系统，例如自旋、光子和冷原子，”Bachtold说。此外，他们将被赋予特别长的淘汰时间。然而，机械量子位元的实现在迄今所制造的所有机械系统中都是遥不可及的。

Laird打算研究量子力学如何影响纳米谐振器。“在我们的实验中，两能级系统是一个单电子晶体管，其行为方式最终完全是经典的，”Laird解释说。“对于双量子点、自旋或超导量子位等量子二级系统，其反作用力将是不同的。Laird总结道:“我们可以用它来制备整个运动叠加的纳米管吗?”我觉得这很有意思。”