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. К примеру, около двух месяцев назад мы 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.

Рис. 1. Схема исследуемой системы и диаграмма потенциальной энергии с метастабильным минимумом, из которого можно выйти за счёт туннелирования (ГQ) или теплового возбуждения (иллюстрация из журнала Physical Review B).

Чтобы сделать процесс макроскопического туннелирования вероятным, температуру, естественно, необходимо снижать. Согласно расчётам, максимально допустимое значение 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.

Рис. 2. Вариант системы с графеновой мембраной (иллюстрация Peter Liljeroth).

Полная версия отчёта опубликована в журнале Physical Review B.