Kvantemembraner til ultrapræcise mekaniske målinger

Kvantemekanikken dikterer følsomhedsgrænser i målingerne af forskydning, hastighed og acceleration. Et nyligt eksperiment på Niels Bohr Institutet undersøger disse grænser, at analysere, hvordan kvanteudsving sætter en sensormembran i bevægelse i processen med en måling. Membranen er en nøjagtig model for fremtidige ultrapræcise kvantesensorer, hvis komplekse natur måske endda har nøglen til at overvinde fundamentale kvantegrænser. Resultaterne er offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift, Proceedings of the National Academy of Sciences .

Vibrerende strenge og membraner er kernen i mange musikinstrumenter. At plukke en streng ophidser den til vibrationer, med en frekvens bestemt af dens længde og spænding. Udover grundfrekvensen - svarende til musiktonen - vibrerer strengen også ved højere frekvenser. Disse overtoner påvirker, hvordan vi opfatter 'lyden' af instrumentet, og tillade os at skelne mellem en guitar fra en violin. Tilsvarende at slå et trommehoved fremkalder vibrationer ved en række frekvenser samtidigt.

Disse forhold er ikke anderledes, når der skaleres ned, fra den halvmeter stortromme i et klassisk orkester til den halvmillimeterstore membran, der for nylig blev studeret på Niels Bohr Institutet. Og stadigvæk, nogle ting er slet ikke det samme:ved at bruge sofistikerede optiske måleteknikker, et hold ledet af professor Albert Schliesser kunne vise, at membranens vibrationer, inklusive alle dens overtoner, følg kvantemekanikkens mærkelige love. I deres eksperiment, disse kvantelove indebar, at blot forsøget på præcist at måle membranvibrationerne sætter den i gang. Som om at se på en tromme allerede fik den til at summe!

En 'tromme' med mange toner

Selvom membranen undersøgt af Niels Bohr Institutets team kan ses med bare øjne, forskerne brugte en laser til nøjagtigt at spore membranens bevægelse. Og dette afslører faktisk en række vibrationsresonanser, som alle måles samtidigt. Deres frekvenser er i megahertz-området, omkring tusind gange højere end de lydbølger, vi hører, hovedsagelig fordi membranen er meget mindre end et musikinstrument. Men analogierne fortsætter:ligesom en violin lyder forskelligt afhængigt af hvor strengen slås (sul tasto vs sul ponticello), forskerne kunne se ud fra spektret af overtoner, hvor deres membran blev exciteret af laserstrålen.

Endnu, observere de subtile kvanteeffekter, som forskerne var mest interesserede i, krævede et par tricks mere. Albert Schliesser forklarer:"For en gangs skyld, der er problemet med tab af vibrationsenergi, fører til det, vi kalder kvantedekohærens. Tænk på det på denne måde:i en violin, du giver et resonanslegeme, som opfanger strengsvibrationerne og omdanner dem til lydbølger, der føres bort af luften. Det er, hvad du hører. Vi skulle opnå præcis det modsatte:begrænse vibrationerne til kun membranen, så vi kan følge dens uforstyrrede kvantebevægelse så længe som muligt. Til det skulle vi udvikle en speciel 'krop', der ikke kan vibrere ved membranens frekvenser«.

Dette blev opnået ved en såkaldt fononisk krystal, et regelmæssigt mønster af huller, der udviser et lydbånd, det er, et frekvensbånd, hvor strukturen ikke kan vibrere. Yeghishe Tsaturyan, en ph.d.-studerende på holdet, realiseret en membran med en så speciel krop på Danchips nanofabrikation i Lyngby.

En anden udfordring består i at foretage tilstrækkeligt præcise målinger. Ved at bruge teknikker fra optomekanik, som er Schliessers ekspertise, holdet lavede et dedikeret eksperiment på Niels Bohr Institutet, baseret på en laser skræddersyet til deres behov, og et par stærkt reflekterende spejle, mellem hvilke membranen er anbragt. Dette gjorde det muligt for dem at løse vibrationer med amplituder meget mindre end en protons radius (1 femtometer).

"At lave målinger så følsomme er ikke let, især da pumper og andet laboratorieudstyr vibrerer med meget større amplituder. Så vi skal sikre os, at dette ikke vises i vores målepost, " tilføjer ph.d.-studerende William Nielsen.

Vakuum slår på tromlen

Alligevel er det netop rækken af ​​ultrapræcisionsmålinger, hvor det bliver interessant. Derefter, det begynder at betyde noget, ifølge kvantemekanikken, processen med at måle bevægelsen påvirker den også. I forsøget denne 'kvantemålings-backaction' er forårsaget af de uundgåelige kvanteudsving i laserlyset. Inden for rammerne af kvanteoptik, disse er forårsaget af kvanteudsving i det elektromagnetiske felt i det tomme rum (vakuum). Hvor mærkeligt det end lyder, denne effekt efterlod klare signaturer i Niels Bohr Institutets eksperimenters data, nemlig stærke korrelationer mellem lysets kvanteudsving, og den mekaniske bevægelse målt ved lys.

"At observere og kvantificere disse kvanteudsving er vigtigt for bedre at forstå, hvordan de kan påvirke mekaniske ultrapræcisionsmålinger - dvs. målinger af forskydning, hastighed eller acceleration. Og her, membranens multi-mode karakter spiller ind:ikke kun er det en mere præcis repræsentation af sensorer i den virkelige verden. Det kan også indeholde nøglen til at overvinde nogle af de traditionelle kvantegrænser for målepræcision med mere sofistikerede skemaer, udnytter kvantekorrelationer", Albert Schliesser siger og tilføjer, at i det lange løb, kvanteeksperimenter med stadig mere komplekse mekaniske objekter kan også give et svar på spørgsmålet, hvorfor vi aldrig observerer en stortromme i en kvantesuperposition (eller vil vi?).