Fysikere presser lys til afkøling af mikroskopisk tromle under kvantegrænsen

Fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har afkølet en mekanisk genstand til en lavere temperatur end tidligere antaget muligt, under den såkaldte "kvantegrænse".

Den nye NIST -teori og eksperimenter, beskrevet i januar 12, 2017, udgave af Natur , viste, at en mikroskopisk mekanisk tromle-en vibrerende aluminiumsmembran-kunne afkøles til mindre end en femtedel af en enkelt kvante, eller en pakke energi, lavere end normalt forudsagt af kvantefysik. Den nye teknik kunne teoretisk bruges til at afkøle objekter til absolut nul, den temperatur, ved hvilken stof er fri for næsten al energi og bevægelse, Det siger NIST -forskere.

"Jo koldere du kan få tromlen, jo bedre det er for enhver applikation, "sagde NIST -fysikeren John Teufel, der ledede forsøget. "Sensorer ville blive mere følsomme. Du kan gemme oplysninger længere. Hvis du brugte dem i en kvantecomputer, så ville du regne uden forvrængning, og du ville faktisk få det svar, du ønsker. "

"Resultaterne var en fuldstændig overraskelse for eksperter på området, "Teufels gruppeleder og medforfatter José Aumentado sagde." Det er et meget elegant eksperiment, der helt sikkert vil have stor indflydelse. "

Tromlen, 20 mikrometer i diameter og 100 nanometer tyk, er indlejret i et superledende kredsløb, der er designet således, at tromlebevægelsen påvirker mikrobølgerne, der hopper inde i et hule kabinet kendt som et elektromagnetisk hulrum. Mikrobølger er en form for elektromagnetisk stråling, så de er i virkeligheden en form for usynligt lys, med en længere bølgelængde og lavere frekvens end synligt lys.

Mikrobølgelyset inde i hulrummet ændrer sin frekvens efter behov for at matche den frekvens, hvormed hulrummet naturligt resonerer, eller vibrerer. Dette er hulrummets naturlige "tone, "analogt med den musikalske tonehøjde, at et vandfyldt glas vil lyde, når dets kant gnides med en finger, eller siden slås med en ske.

NIST-forskere har tidligere afkølet kvantetromlen til dens laveste energi "grundtilstand, "eller en tredjedel af en kvante. De brugte en teknik kaldet sidebåndskøling, hvilket indebærer at anvende en mikrobølge tone på kredsløbet med en frekvens under hulrumets resonans. Denne tone driver elektrisk ladning i kredsløbet for at få tromlen til at slå. Trommeslagene genererer lette partikler, eller fotoner, som naturligvis matcher den højere resonansfrekvens i hulrummet. Disse fotoner lækker ud af hulrummet, når det fyldes op. Hver afgående foton tager en mekanisk enhed af energi - en fonon - med sig fra tromlens bevægelse. Dette er den samme idé som laserkøling af individuelle atomer, første gang demonstreret ved NIST i 1978 og nu meget udbredt i applikationer såsom atomure.

Det seneste NIST -eksperiment tilføjer et nyt twist - brugen af ​​"presset lys" til at drive tromlekredsløbet. Klemning er et kvantemekanisk begreb, hvor støj, eller uønskede udsving, flyttes fra en nyttig egenskab af lyset til et andet aspekt, der ikke påvirker eksperimentet. Disse kvantesvingninger begrænser de laveste temperaturer, der kan nås med konventionelle køleteknikker. NIST -teamet brugte et specielt kredsløb til at generere mikrobølgefotoner, der blev renset eller fjernet af intensitetsudsving, hvilket reducerede utilsigtet opvarmning af tromlen.

"Støj giver tilfældige spark eller opvarmning til den ting, du prøver at afkøle, "Teufel sagde." Vi presser lyset på et "magisk" niveau - i en meget specifik retning og mængde - for at lave perfekt korrelerede fotoner med mere stabil intensitet. Disse fotoner er både skrøbelige og kraftfulde. "

NIST -teorien og eksperimenterne indikerer, at presset lys fjerner den generelt accepterede kølegrænse, Sagde Teufel. Dette omfatter objekter, der er store eller opererer ved lave frekvenser, som er sværest at afkøle.

Tromlen kan bruges i applikationer såsom hybrid -kvantecomputere, der kombinerer både kvante- og mekaniske elementer, Sagde Teufel. Et varmt emne inden for fysikforskning rundt om i verden, kvantecomputere kunne teoretisk løse visse problemer, der betragtes som umulige i dag.