Физики реализовали эффективное подавление механических колебаний отдельной нанотрубки при помощи электронов — ранее подобного удавалось достичь только посредством фотонов. В подвешенной нанотрубке осталось лишь несколько квантов колебаний, то есть ее удалось охладить до квантового режима, пишут авторы в журнале Nature Physics.

Нанотрубки — это химические соединения цилиндрической формы, обладающие рядом необычных свойств. Обычно говорят про углеродные нанотрубки, состоящие из шестиугольных ячеек, напоминая свернутый лист графена. Помимо углерода нанотрубки также могут состоять из нитрида бора и некоторых других элементов.

Одним из научных применений нанотрубок является наномеханический резонатор — закрепленная на подложке нанотрубка, способная колебаться на определенных частотах. В таких системах можно реализовать сильную связь между механическими и электронными свойствами, так как они очень чувствительны к приложенным силам. В результате можно исследовать многие физические процессы на наномасштабе, например, электронный транспорт, эффект Кондо, квантовый эффект Холла и многие другие эффекты, большинство из которых имеет квантовую природу.

Ключевым требованием для изучения явлений в квантовом режиме является подавление шумов, в том числе тепловых. Согласно теореме о равнораспределении кинетической энергии по степеням свободы, охлаждение эквивалентно уменьшению механических флуктуаций системы. В случае отсутствия контроля таких флуктуаций производимый ими эффект не позволит фиксировать квантовое поведение системы.

Сегодня такое подавление достигается за счет воздействия света определенной частоты, но теоретики предложили множество альтернативных схем, позволяющих получить тот же эффект при помощи электронов. Однако применение ни одной из них ранее не позволяло достичь квантового режима, основным достижением оставалось охлаждение до примерно 200 квантов колебаний, что далеко от настоящего квантового режима.

Физики из Испании и Франции под руководством Адриана Бахтольда (Adrian Bachtold) из Института фотоники в Барселоне впервые продемонстрировали охлаждение наномеханического резонатора до 4,6 ± 2,0 квантов колебаний при помощи электронов. Для этого авторы воспользовались взаимосвязью колебаний нанотрубки и электронов постоянного тока, протекающего по ней.

Авторы выращивали нанотрубки методом осаждения из газовой фазы между двумя электродами, а готовую систему помещали в рефрижератор растворения — холодильную машину, которая понижает температуру за счет совершения работы атомами изотопов гелия-3 при смешивании с гелием-4. Это позволило достичь температуры в 70 милликельвин.

В отличие от предыдущих работ, физики пропускали по трубке постоянный электрический ток. Авторам удалось найти значения параметров, при которых колебания нанотрубки эффективно усиливались или, наоборот, подавлялись, то есть происходило охлаждение. Ученые связывают это с термоэлектрическим эффектом, выражающимся в необычном действии закона Джоуля — Ленца.

Этот закон определяет степень нагрева тела при протекании тока, но в случае столь тонкого и чувствительного тела этот нагрев приводит к расширению, деформации и изменению механического натяжения. Однако такое искривление заметно меняет проводимость нанотрубки и, следовательно, эффективность выделения тепла по закону Джоуля — Ленца. В результате в системе возникает обратная связь с задержкой по времени. В итоге физики смогли перевести одномерное наноразмерное тело рекордно близко к основному квантовому состоянию.