ナノチューブは直流で冷却された

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ビデオ: カーボンナノチューブへの水の凝集に関する分子動力学計算 2022, 12月
ナノチューブは直流で冷却された
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電極間に張られたナノチューブ製の共振器

物理学者は、電子を使用して個々のナノチューブの機械的振動の効果的な抑制を実装しました-以前は、これは光子を使用してのみ達成できました。浮遊したナノチューブに残った振動量子はごくわずかでした。つまり、それを量子領域に冷却することができた、と著者らはジャーナルNaturePhysicsに書いています。

ナノチューブは、多くの異常な特性を持つ円筒形の化合物です。通常、グラフェンの圧延シートに似た六角形のセルで構成されるカーボンナノチューブについて話します。カーボンに加えて、ナノチューブは窒化ホウ素と他のいくつかの元素で構成することもできます。

ナノチューブの科学的応用の1つは、ナノメカニカル共振器です。これは、特定の周波数で振動できる基板に固定されたナノチューブです。このようなシステムでは、加えられた力に非常に敏感であるため、機械的特性と電子的特性の間に強い関係を実現できます。その結果、電子伝達、近藤効果、量子ホール効果、その他多くの効果など、多くの物理的プロセスをナノスケールで調べることができます。これらの効果のほとんどは量子的性質のものです。

量子領域の現象を研究するための重要な要件は、熱雑音を含む雑音の抑制です。自由度にわたる運動エネルギーの等分配に関する定理によれば、冷却はシステムの機械的変動の減少に相当します。このような変動に対する制御がない場合、それらによって生成される効果は、システムの量子的振る舞いを修正することを可能にしません。

今日、この抑制は特定の周波数の光への曝露によって達成されますが、理論家は、電子を使用して同じ効果を得ることができる多くの代替スキームを提案しています。しかし、以前はそれらを使用しても量子レジームを達成することはできませんでした。主な成果は、実際の量子レジームからはほど遠い約200の振動量子に冷却することでした。

バルセロナのフォトニクス研究所のエイドリアン・バクトルドが率いるスペインとフランスの物理学者は、電子を使用してナノメカニカル共振器を4.6±2.0の振動量子に冷却することを初めて実証しました。これを行うために、著者らは、ナノチューブの振動とそれを流れる直流電子との関係を使用しました。

著者らは、2つの電極間の蒸着法によってナノチューブを成長させ、完成したシステムを溶解冷蔵庫(ヘリウム4と混合したときにヘリウム3同位体の原子を処理することによって温度を下げる冷凍機)に配置しました。これにより、70ミリケルビンの温度に到達することができました。

以前の研究とは異なり、物理学者はチューブに一定の電流を流しました。著者らは、ナノチューブの振動が効果的に増幅されるか、逆に抑制される、つまり冷却が行われるパラメータの値を見つけることができました。科学者はこれを、ジュール-レンツ法則の異常な作用で表される熱電効果と関連付けています。

この法則は、電流が流れる間の体の加熱の程度を決定しますが、そのような薄くて敏感な体の場合、この加熱は膨張、変形、および機械的張力の変化につながります。ただし、このような曲率は、ナノチューブの導電率を著しく変化させ、その結果、ジュール-レンツの法則に従って熱放出の効率を変化させます。その結果、システムで時間差のあるフィードバックが発生します。その結果、物理学者は、地上の量子状態に近い1次元のナノスケールの物体記録を転送することができました。

科学者たちは以前、ナノチューブを電子回路を印刷するためのダイに変え、カーボンナノチューブのシートに銀で安価なセンサーを印刷し、カーボンナノチューブネットワークに電流を自由に伝導させてきました。

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