Laserkøling af en nanomekanisk oscillator tæt på dens jordtilstand

Forskere ved Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL) og IBM Research Europe demonstrerede for nylig laserkølingen af ​​en nanomekanisk oscillator ned til dens nulpunktsenergi (dvs. det punkt, hvor den indeholder en minimumsmængde af energi). Deres vellykkede demonstration, med i Fysiske anmeldelsesbreve , kunne have vigtige konsekvenser for udviklingen af ​​kvanteteknologier.

I meget lang tid, forskere med speciale i forskellige områder af videnskab og teknologi har udviklet værktøjer, der udnytter de akustiske egenskaber af objekter, såsom akustiske resonanser eller mekaniske vibrationer. For eksempel, mekaniske resonanser har længe været brugt til at behandle signaler eller til indsamling af meget præcise målinger.

På et mere grundlæggende niveau, disse resonanser følger kvantemekanikkens love. Fremtidige teknologier, der udnytter materialers akustiske egenskaber, kan således også drage fordel af deres kvantemekaniske egenskaber, såsom sammenfiltringen mellem to mekaniske vibrationer eller overlejring af to vibrationstilstande.

"Denne indtræden i kvanteregimet er parallel med andre kvanteteknologier, såsom kvantecomputere, "Dr. Itay Shomroni, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Kvantenaturen af ​​disse relativt store objekter er maskeret af ydre påvirkninger fra miljøet, den mest udbredte af dem er termisk støj - tilfældige udsving på grund af en begrænset temperatur."

For at nå et regime, hvor det er muligt at observere kvantemekaniske effekter, Forskerne skal først fjerne støjen fra miljøpåvirkninger. Dette kan opnås ved at afkøle en mekanisk oscillator til dens lavest mulige energitilstand, kendt som grundtilstand.

På grund af kvantemekanikkens love, en oscillator fryser ikke, når den er i sin jordtilstand, men hellere, den indeholder en minimal mængde energi, den såkaldte 'nulpunktsenergi'. I løbet af det sidste årti, forskellige forskergrupper er kommet mere og mere tættere på at bringe mekanisk bevægelse til grundtilstanden og dermed til nulpunktsenergien, ved hjælp af en række forskellige nano- og mikromekaniske oscillatorer.

"En tilgang er simpelthen at afkøle hele apparatet til ekstremt lave temperaturer, i milli-Kelvin-området, Shomroni sagde, "men dette øger eksperimenternes kompleksitet og introducerer andre begrænsninger. Vi har også haft som mål at nå jordtilstandskøling i vores system, der opererer ved flere Kelvin."

I deres undersøgelse, Liu Qiu, Shomroni, og deres kolleger forsøgte at køle en nanomekanisk oscillator ned til dens nulpunktsenergi ved hjælp af laserafkølingsteknikker. Bemærkelsesværdigt, de var i stand til at opnå en ekstrem lav belægning (dvs. 92% grundstatsbesættelse), skubbe systemet meget dybere ind i kvanteregimet.

"Vi bruger laserlys til at afkøle bevægelsen af ​​vores mekaniske oscillator, hvilket kan virke overraskende i starten, Shomroni forklarede. "Dette er en velkendt teknik, der blev brugt i andre eksperimenter, såvel. Lys udøver en kraft på stof kaldet strålingstryk. Denne kraft kan bruges til at dæmpe og afkøle mekanisk bevægelse, forudsat at den anvendes korrekt, modsat objektets hastighed."

I forsøget den mekaniske vibration opstår i en sektion af en silicium nanostråle, der er flere mikron lang og 220 nm x 530 nm i tværsnit. Dette afsnit udgør også en del af et optisk hulrum, hvori forskerne injicerede laserstråler. Vibrationen og det lette tryk i dette system er indbyrdes afhængige, dermed, de forholder sig på en måde, der i sidste ende køler systemet.

"Som vi ved, lys kan også opvarme genstande, fordi det absorberes, " sagde Shomroni. "For at minimere effekten af ​​absorption, vi omringede vores oscillator med en lille mængde heliumgas, så overskydende varme kunne forsvinde hurtigt."

Ved at bruge deres laserkølingsbaserede metode, Qiu, Shomroni og deres kolleger var i stand til at afkøle en nanomekanisk oscillator meget tæt på dens nulpunktsenergi. De opnåede resultater viser effektiviteten af ​​tilgange, der udnytter interaktionen mellem laserteknologi og mekaniske vibrationer til afkøling af mekaniske objekter.

Forskerne målte også den resterende termiske energi i deres system in situ ved hjælp af en kalibreringsfri metrik, som oscillatoren selv tilbyder - nemlig, forholdet mellem dets absorptions- og emissionsrater. Denne særlige metrik er også kendt for at være en signatur af en oscillatorens kvantenatur.

Evnen til at køle et kvantesystem ned til dets grundtilstand kunne åbne op for nye muligheder, både til udvikling af nye kvanteteknologier og til yderligere forskning i kvantemekanik. For eksempel, denne evne kunne muliggøre skabelsen af ​​et relativt stort mekanisk objekt i en kvantesuperpositionstilstand kendt som Schrödinger cat state.

I øvrigt, udviklingen af ​​en metode, der kan bringe mekaniske systemer tættere på deres nulpunktsenergi, kan have vigtige konsekvenser for kvanteberegning. Forskere hos IBM forsøger i øjeblikket at udvikle enheder, der effektivt kan transducere kvanteinformation, konvertere det fra superledende qubits til optiske fotoner.

"Sådanne enheder ville tjene som et middel til at forbinde kvantecomputere baseret på superledende qubits med fiberoptiske kabler for at skabe et kvantenetværk og yderligere skalere computerkraften, "Paul Seidler, en anden forsker, der udførte undersøgelsen, fortalte Phys.org "Til dato, de mest succesrige tilgange til mikrobølgeoptisk transduktion bruger et mekanisk system som mellemled. For denne ansøgning, evnen til at initialisere det mekaniske system i dets grundtilstand kan være afgørende."

I det fremtidige arbejde, EPFL-IBM-teamet planlægger at bruge sin teknik til at køle mekaniske systemer ned til deres nulpunktsenergi for at kontrollere deres bevægelse på nye interessante måder. For eksempel, forskerne vil gerne udforske deres metodes potentiale til at producere en række eksotiske kvantetilstande.

© 2020 Science X Network