I risonatori meccanici sono stati utilizzati con grande successo come nuove risorse nella tecnologia quantistica. I risonatori meccanici a nanotubi di carbonio si sono dimostrati eccellenti dispositivi ad altissima sensibilità per lo studio di nuovi fenomeni fisici a livello di nanoscala (es. trasporto quantistico di elettroni, scienza della superficie, e interazione luce-materia).

I risonatori meccanici sono spesso usati per osservare e manipolare gli stati quantistici del moto di sistemi relativamente grandi. Però, lo svantaggio risiede nella forza del rumore termico, quale, se non adeguatamente controllato, finisce per diluire ogni possibilità di osservare gli effetti quantistici. Così, gli scienziati hanno cercato metodi efficaci per raffreddare questi sistemi al regime quantistico ed essere in grado di osservare gli effetti quantistici su richiesta. Uno di questi approcci è stato quello di utilizzare il trasporto di elettroni lungo il risonatore per raffreddare il sistema.

Sono stati proposti molti schemi teorici per raffreddare questi risonatori meccanici utilizzando diversi regimi di trasporto degli elettroni, ma le difficoltà sperimentali lo hanno reso estremamente impegnativo in termini di fabbricazione e misurazione del dispositivo. Nonostante molti sforzi, una sola realizzazione sperimentale del raffreddamento è stata segnalata oltre un decennio fa, in cui i ricercatori sono stati in grado di raffreddare il sistema fino a un numero di popolazione di 200 quanti, che è lontano dal regime quantistico.

Ora, in un nuovo studio pubblicato su Fisica della natura , I ricercatori ICFO Carles Urgell, Wei Yang, Sergio Lucio de Bonis, e Chandan Samanta, guidato dal Prof. ICFO Adrian Bachtold, in collaborazione con ricercatori dell'ICN2 di Barcellona e del CNRS in Francia, sono stati in grado di dimostrare un esperimento in cui raffreddano un risonatore nanomeccanico a 4,6 +-2,0 quanti di vibrazione.

Nel loro studio, il team ha fabbricato il risonatore facendo crescere un nanotubo di carbonio tra due elettrodi, dove nell'ultima fase del processo di fabbricazione, hanno impiegato un metodo di deposizione chimica da vapore per ridurre al minimo ogni possibile contaminante residuo sul dispositivo. Quindi hanno inserito il sistema in un frigorifero a diluizione e lo hanno raffreddato fino a 70 mK. La novità della loro tecnica consisteva nell'applicare una corrente costante di elettroni attraverso il risonatore. Quando una corrente costante è stata applicata al risonatore, la forza elettrostatica degli elettroni influisce sulla dinamica delle vibrazioni. Queste vibrazioni modificate reagiscono sugli elettroni, facendo un circuito chiuso con un ritardo finito. Questa retroazione degli elettroni sulle vibrazioni può essere utilizzata per amplificare o ridurre le fluttuazioni delle vibrazioni termiche. Nel secondo caso, lo hanno usato per raffreddare il sistema per ridurre le fluttuazioni di spostamento termico, permettendo loro di avvicinarsi al limite del regime quantistico menzionato prima, con un numero di popolazione mai visto prima rispetto al lavoro precedente.

I risultati dello studio hanno confermato che questo metodo è un modo eccellente e molto semplice per raffreddare i risonatori nanomeccanici, che potrebbe essere della massima importanza per gli scienziati che lavorano nella nanomeccanica e nel trasporto quantistico di elettroni poiché diventerà una potente risorsa per la manipolazione quantistica dei risonatori meccanici.