Четверо физиков из Университета им. Аалто (Финляндия) составили описание электромеханической системы, подходящей для наблюдения макроскопического квантового туннелирования.

В последнее время квантовое поведение наномеханических систем изучается очень активно. Около двух месяцев назад мы, к примеру, рассказывали о том, как осциллятор был успешно переведён в основное квантовое состояние с помощью лазера, а годом ранее аналогичный опыт выполнила группа американских учёных. Одной из основных проблем, с которыми сталкиваются авторы подобных экспериментов, остаётся охлаждение образцов до сверхнизкой температуры.

Финские исследователи попробовали решить более сложную задачу — перейти от демонстрации основного квантового состояния к туннелированию. В их модели рассматривается зажатая с обоих концов планка или мембрана длиной L, шириной W и толщиной H, расположенная на расстоянии d от электрода, на который подаётся постоянное напряжение V g . Возникающая при этом электростатическая сила деформирует — изгибает — образец.

Когда напряжение достигает некоторого критического значения V с , амплитуда изгиба становится настолько большой, что образец касается электрода. При напряжении чуть более низком, чем V с , система попадает в метастабильный минимум потенциальной энергии, из которого она может выйти («притянуться» к электроду) либо путём туннелирования, либо за счёт теплового возбуждения. Это её положение и заинтересовало физиков.

Схема исследуемой системы и диаграмма потенциальной энергии с метастабильным минимумом, из которого можно выйти за счёт туннелирования (Г Q ) или теплового возбуждения (иллюстрация из журнала Physical Review B).

Чтобы сделать процесс макроскопического туннелирования вероятным, температуру, естественно, необходимо снижать. Согласно расчётам, максимально допустимое значение последней будет наиболее высоким (порядка милликельвина) в системе с малыми массой и плотностью и большими модулем Юнга и соотношением d/H. Такое сочетание характеристик могут обеспечить «подвешенные» над электродом лист графена или однослойная углеродная нанотрубка.

Хотя указанная температура далека от рекордно низкой, достичь её в эксперименте всё равно будет очень тяжело. Скорее всего, на практике предложенную схему реализуют лишь через несколько лет.

Вариант системы с графеновой мембраной (иллюстрация Peter Liljeroth).

Полная версия отчёта опубликована в журнале Physical Review B ; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv .