Genom Kimm Fesenmaier
För första gången har forskare vid California Institute of Technology (Caltech) i samarbete med ett team från universitetet i Wien, lyckats kyla en miniatyr mekanisk objekt till sin lägsta möjliga energitillstånd med hjälp av laserljus. Uppnåendet banar väg för utveckling av utsökt känsliga detektorer samt för Quantum experiment som forskarna har länge drömt om att genomföra.
"Vi har tagit ett fast mekaniskt system-en består av miljarder av atomer, och används optiska ljus för att uttrycka det i ett tillstånd där man beter sig enligt kvantmekanikens lagar. Tidigare har detta endast skett med fångade enstaka atomer eller joner ", säger Oskar Painter, professor i tillämpad fysik och verkställande tjänsteman för tillämpad fysik och materialvetenskap vid Caltech och den ansvarige forskaren på ett papper som beskriver arbetet som visas i den 6 oktober numret av tidskriften Nature.
Ett svepelektronmikroskop bild (a) i nanoskala kisel mekanisk resonator används i laserkylning experimentet. Den yttre "kors" mönster bildar skölden, medan den centrala strålen regionen, SEM-bild som visas i (b), bildar en optisk kavitet där laserljus används för att kyla mekanisk rörelse av balken. Numeriska simuleringar av lokala optiska fältet och mekaniska andning rörelse nanobeam visas i paneler (c) och (d), respektive. [Credit:. Caltech / Målare, et al]
Som beskrivs i tidningen, målare och hans kollegor har utvecklats en nanoskala objektorienterad en liten mekanisk kisel balk-så att laserljus av en noga utvald frekvens kan komma in i systemet, och när återspeglas kan transportera värmeenergi bort, kyla systemet.
Genom att noggrant utforma varje del av balken samt en mönstrad kisel sköld som isolerar den från omgivningen, var målare och kollegor kunna använda tekniken laserkylning att ta ner systemet till den kvantmekaniska grundtillståndet, där mekaniska vibrationer vid en absolut minimum. En sådan kall mekanisk objekt kan hjälpa till att upptäcka mycket små krafter eller massorna, vars närvaro skulle normalt maskeras av de bullriga termiska vibrationer av sensorn.
"På många sätt ger experimentet vi har gjort en utgångspunkt för den riktigt intressanta kvantmekaniska experiment man vill göra", Målare säger. Till exempel skulle forskare vilja att visa att ett mekaniskt system skulle kunna lirkade in ett kvantum superposition-en bisarr kvanttillstånd som ett fysiskt system kan existera i mer än en position på en gång. Men de behöver ett system på den kvantmekaniska grundtillståndet att påbörja ett sådant experiment.
För att komma till grundtillståndet, hade Painter grupp för att kyla dess mekaniska stråle till en temperatur under 100 millikelvin (-273,15 ° C). Det beror på att balken är avsedd att vibrera vid gigahertz frekvenser (motsvarande en miljard cykler per sekund)-ett område där ett stort antal fononer är närvarande vid rumstemperatur. Fononer är de mest grundläggande enheterna av vibrationer precis som de mest grundläggande enheter eller paket av ljus kallas fotoner. Alla fononer i ett system måste tas bort för att kyla den till grundtillståndet.
Konventionella metoder för cryogenically kyla till sådana temperaturer finns, men kräver dyr och i vissa fall, opraktiskt utrustning. Det finns också problemet med att räkna ut hur man mäter sådant kall mekaniskt system. För att lösa båda problemen, använde Caltech laget en annan kylning strategi.
"Vad vi har gjort är använt fotoner-ljuset fältet för att extrahera fononer från systemet", säger Jasper Chan, huvudförfattare till den nya papper och en doktorand i Painter grupp. För att göra detta har forskarna borrat små hål på exakta platser i deras mekaniska stråle så att när de riktas laserljus av en viss frekvens ner längden av balken, agerade hålen som speglar, fånga ljuset i ett hålrum och får det att samverkar starkt med mekaniska vibrationer av balken.
Eftersom en förändring i frekvensen av ljus är direkt relaterad till den termiska rörelsen hos den mekaniska föremål, ljuset, när den kommer ut så småningom från cavity-också bär med sig information om det mekaniska systemet, såsom rörelse och temperatur balk. Därmed har forskarna skapat en effektiva optiska gränssnitt till ett mekaniskt element eller en optomechanical givare, som kan konvertera information från det mekaniska systemet i fotoner av ljus.
Viktigt eftersom optiska ljus, till skillnad från mikrovågor eller elektroner, kan överföras via stora kilometer långa sträckor utan dämpning kan en sådan optomechanical givare vara användbar för att koppla samman olika kvantsystem-en mikrovågsugn system med ett optiskt system, till exempel. Medan Painter system innebär ett optiskt gränssnitt till ett mekaniskt element, har andra lag har utvecklat system som länkar en mikrovågsugn gränssnitt till en mekanisk del. Vad händer om dessa två mekaniska faktorer var desamma? "Då", säger Painter, "Jag skulle kunna tänka mig att ansluta mikrovågsugn världen till den optiska världen via denna mekaniska conduit en foton i taget."
Den Caltech teamet är inte den första att kyla en nanomechanical objekt till den kvantmekaniska grundtillståndet, en grupp ledd av förre Caltech postdoktoral forskare Andrew Cleland, nu vid University of California, Santa Barbara, åstadkommit detta under 2010 med hjälp av mer konventionella kyl tekniker, och tidigare i år, kyls en grupp från National Institute of Standards and Technology i Boulder, Colorado, ett objekt till grundtillståndet med mikrovågsstrålning. Det nya verket är dock den första där en nanomechanical objekt har lagts i marken staten med hjälp av optiska ljus.
"Detta är en spännande utveckling eftersom det finns så många etablerade tekniker för att manipulera och mäta den kvantmekaniska egenskaperna hos system med hjälp av optik," Målare säger.
Den andra kylteknik används börjar temperaturer på cirka 20 millikelvin-mer än en faktor 10.000 gånger kallare än rumstemperatur. Helst för att förenkla design, skulle forskarna vilja att inleda dessa experiment vid rumstemperatur. Använda laserkylning, målare och hans kollegor kunde utföra sina experiment på en mycket högre temperatur för endast ca 10 gånger lägre än rumstemperatur.
Tillsammans med Painter och Chan, ytterligare medförfattare av papperet, "Laser nedkylning av en nanomechanical oscillator i sitt kvantmekaniska grundtillstånd," inkluderar Caltech postdoktoral forskare TP Mayer Alegre och doktorander Amir Safavi-Naeini, Jeff Hill, och Alex Krause, tillsammans med postdoktorala forskare Simon Gröblacher och Markus Aspelmeyer i Wien Centrum för Quantum vetenskap och teknik. Arbetet stöddes av Caltech är Kavli nanovetenskap institutet, Defense Advanced Research Projects Agency är Mikrosystemteknik kontor genom ett bidrag från Air Force Office of vetenskaplig forskning, Europeiska kommissionen, Europeiska forskningsrådet, och de österrikiska Science fonden.
Källa: www.caltech.edu