At nå lydens kvantegrundtilstand i bølgeledere:Forskere rykker et skridt nærmere

Et team af forskere ved Max Planck Institute for the Science of Light under ledelse af Dr. Birgit Stiller er lykkedes med at køle vandrende lydbølger i bølgeledere betydeligt længere, end det tidligere har været muligt med laserlys. Denne præstation repræsenterer et væsentligt skridt hen imod det endelige mål om at nå den kvantegrundtilstand for lyd i bølgeledere.

Uønsket støj genereret af de akustiske bølger ved stuetemperatur kan elimineres. Denne eksperimentelle tilgang giver både en dybere forståelse af overgangen fra klassiske til kvantefænomener af lyd og er relevant for kvantekommunikationssystemer og fremtidige kvanteteknologier.

Kvantegrundtilstanden for en akustisk bølge med en bestemt frekvens kan nås ved fuldstændig afkøling af systemet. På den måde kan antallet af kvantepartikler, de såkaldte akustiske fononer, som forårsager forstyrrelse af kvantemålinger, reduceres til næsten nul og bygge bro mellem kløften mellem klassisk og kvantemekanik.

I løbet af det sidste årti er der sket store teknologiske fremskridt, som gør det muligt at sætte forskellige systemer i denne tilstand. Mekaniske vibrationer, der oscillerer mellem to spejle i en resonator, kan afkøles til meget lave temperaturer så langt som kvantegrundtilstanden. Dette har endnu ikke været muligt for optiske fibre, hvori højfrekvente lydbølger kan forplante sig. Nu har forskere fra Stiller Research Group taget et skridt nærmere dette mål.

I deres undersøgelse, for nylig offentliggjort i Physical Review Letters , rapporterer de, at de var i stand til at sænke temperaturen på en lydbølge i en optisk fiber oprindeligt ved stuetemperatur med 219 K ved hjælp af laserkøling, ti gange længere end tidligere blevet rapporteret. I sidste ende blev det oprindelige fononnummer reduceret med 75 % ved en temperatur på 74 K, -199 Celsius.

En sådan drastisk reduktion i temperaturen blev muliggjort ved at bruge laserlys. Afkøling af de udbredte lydbølger blev opnået via den ikke-lineære optiske effekt af stimuleret Brillouin-spredning, hvor lysbølger effektivt kobles til lydbølger.

Gennem denne effekt afkøler laserlyset de akustiske vibrationer og skaber et miljø med mindre termisk støj, hvilket til en vis grad er "forstyrrende" støj for for eksempel et kvantekommunikationssystem. "En interessant fordel ved glasfibre, ud over denne stærke interaktion, er det faktum, at de kan lede lys og lyd fremragende over lange afstande," siger Laura Blázquez Martínez, en af ​​hovedforfatterne til artiklen og doktorand i Stiller forskergruppe.

De fleste fysiske platforme, der tidligere blev bragt til kvantegrundtilstanden, var mikroskopiske. Men i dette eksperiment var længden af ​​den optiske fiber 50 cm, og en lydbølge, der strækker sig over hele 50 cm af fiberens kerne, blev afkølet til ekstremt lave temperaturer.

"Disse resultater er et meget spændende skridt mod kvantegrundtilstanden i bølgeledere, og manipulationen af ​​så lange akustiske fononer åbner muligheder for bredbåndsapplikationer inden for kvanteteknologi," ifølge Dr. Birgit Stiller, leder af kvanteoptoakustikgruppen.

Lyd kan i den daglige klassiske verden forstås som en tæthedsbølge i et medie. Men fra kvantemekanikkens perspektiv kan lyd også beskrives som en partikel:fononen. Denne partikel, lydkvantumet, repræsenterer den mindste mængde energi, der opstår som en akustisk bølge ved en bestemt frekvens. For at se og studere en enkelt lydkvanta skal antallet af fononer minimeres.

Overgangen fra lydens klassiske til kvanteadfærd observeres ofte lettere i kvantegrundtilstanden, hvor antallet af fononer i gennemsnit er tæt på nul, således at vibrationerne næsten er frosset og kvanteeffekter kan måles.

Stiller siger:"Dette åbner døren til et nyt landskab af eksperimenter, der giver os mulighed for at få dybere indsigt i materiens grundlæggende natur." Fordelen ved at bruge et bølgeledersystem er, at lys og lyd ikke bindes mellem to spejle, men forplanter sig langs bølgelederen. De akustiske bølger eksisterer som et kontinuum – ikke kun for specifikke frekvenser – og kan have en bred båndbredde, hvilket gør dem lovende til applikationer såsom højhastighedskommunikationssystemer.

"Vi er meget begejstrede for den nye indsigt, som det vil bringe at skubbe disse fibre ind i kvantegrundtilstanden," understreger forskningsgruppelederen. "Ikke kun fra et grundlæggende forskningssynspunkt, hvilket giver os mulighed for at kigge ind i kvantenaturen af ​​udvidede objekter, men også på grund af de anvendelser, dette kunne have i kvantekommunikationssystemer og fremtidige kvanteteknologier."

Flere oplysninger: Laura Blázquez Martínez et al., Optoacoustic Cooling of Traveling Hypersound Waves, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.023603

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af Max Planck Institute for the Science of Light