Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Cheng Wang

Väitöskirjan nimi: Measurement and Control of Micromechanical Oscillators in the Quantum Regime

Tohtoriopiskelija: Wang Cheng
Vastaväittäjä: apulaisprofessori Aurelien Dantan, Aarhusin yliopisto, Tanska
Kustos: professori Mika Sillanpää, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Mikro- ja nanomekaaniset laitteet ovat keskeisiä komponentteja, joita esiintyy laajalti monissa tosielämän sovelluksissa. Ne ovat myös tulleet välttämättömiksi työkaluiksi fysiikan perustutkimuksissa, erityisesti mekaanisten objektien liikkeen makroskooppisten kvantti-ilmiöiden tutkimuksessa. Näiden laitteiden kvanttisen luonteen tutkimuksessa merkittävä haaste syntyy kuitenkin ympäristön lämpötilahäiriöistä, jotka aiheuttavat dekoherenssia ja hämärtävät niiden kvanttiominaisuuksia. Mikrovalmistuksen edistysaskeleet sekä jäähdytystekniikat, kuten suora jäähdytys ja kvanttisäätöprotokolliin perustuvat jäähdytysmenetelmät, ovat edistäneet makroskooppisten mekaanisten järjestelmien tutkimusta kvanttialueelle.

Tässä väitöskirjassa tutkitut mikromekaaniset laitteet ovat suprajohtavia mikroaaltopiirejä, joissa alumiiniset kalvomaiset mekaaniset oskillaattorit ovat vahvasti kytkettyinä piirin sähkömagneettisiin resonansseihin. Tätä piirikonfiguraatiota, jota kutsutaan joskus piirielektromekaniikaksi, voidaan pitää ontelokvanttimekaniikan piiriversiona, jossa tutkitaan mikromekaanisen liikkeen ja sähkömagneettisen säteilyn välistä vuorovaikutusta.

Tässä väitöskirjassa useita pyrkimyksiä saavuttaa mikromekaanisen liikkeen kvanttisäätö tutkitaan kokeellisesti ensimmäistä kertaa. Aluksi toteutimme palautesäädön piirielektromekaniikassa ja saavutimme 8 MHz oskillaattorin palautesäädetyn jäähdytyksen lähelle sen liikkeen perustilaa. Lisäksi tutkimme palautteen käyttöä epästabiilin tilan vakauttamiseen optomekaniikassa. Seuraavaksi tarkastelimme optomekaniikassa melun ohjaamaa lähestymistapaa, jossa syötämme voimakasta kaistanrajoitettua sähkömagneettista melua piirin optomekaanisen laitteen liikkeen sivukaistalle. Perustilan jäähdytys ja optomekaanisen lämmityksen ilmiöt tutkitaan erilaisissa meluolosuhteissa. Näiden järjestelmien tehokas kvanttisäätö ja kyky valmistaa ne kohdennettuihin kvanttitiloihin voivat avata mahdollisuuden käyttää näitä mekaanisia laitteita arvokkaina resursseina tulevaisuuden kvanttisovelluksissa.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/ 

Yhteystiedot:

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52