Kvantmekanik dikterar känslighetsgränser i mätningarna av förskjutning, hastighet och acceleration. Ett nyligen utfört experiment vid Niels Bohr -institutet undersöker dessa gränser, analysera hur kvantfluktuationer sätter igång ett sensormembran under en mätning. Membranet är en exakt modell för framtida ultraprecisa kvantsensorer, vars komplexa karaktär till och med kan vara nyckeln till att övervinna grundläggande kvantgränser. Resultaten publiceras i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften, Förfaranden från National Academy of Sciences .

Vibrerande strängar och membran är kärnan i många musikinstrument. Att plocka en sträng upphetsar den till vibrationer, med en frekvens som bestäms av dess längd och spänning. Förutom grundfrekvensen - motsvarande musiknoten - vibrerar strängen också vid högre frekvenser. Dessa övertoner påverkar hur vi uppfattar instrumentets "ljud", och låt oss berätta för en gitarr från en fiol. Liknande, att slå ett trumhuvud väcker vibrationer vid ett antal frekvenser samtidigt.

Dessa frågor är inte annorlunda när man skalar ner, från halvmeters bastrumma i en klassisk orkester till det halv millimeter stora membranet som nyligen studerades vid Niels Bohr Institute. Och ändå, vissa saker är inte alls desamma:med hjälp av sofistikerade optiska mättekniker, ett team ledat av professor Albert Schliesser kunde visa att membranets vibrationer, inklusive alla dess övertoner, följa kvantmekanikens konstiga lagar. I deras experiment, dessa kvantlagar innebar att det enda försöket att exakt mäta membranvibrationerna sätter det i rörelse. Som om en titt på en trumma redan fick det att nynna!

En "trumma" med många toner

Även om membranet som undersökts av Niels Bohr Institute -teamet kan ses med blotta ögon, forskarna använde en laser för att noggrant spåra membranrörelsen. Och detta avslöjar verkligen ett antal vibrationsresonanser, som alla mäts samtidigt. Deras frekvenser ligger i Megahertz -intervallet, ungefär tusen gånger högre än ljudvågorna vi hör, väsentligen för att membranet är mycket mindre än ett musikinstrument. Men analogierna fortsätter:precis som en fiol låter olika beroende på var strängen slås (sul tasto vs sul ponticello), forskarna kunde se från spektrumet av övertoner vid vilken plats deras membran upphetsades av laserstrålen.

Än, observera de subtila kvanteffekter som forskarna var mest intresserade av, krävde några fler knep. Albert Schliesser förklarar:"För en gångs skull, det är problemet med vibrationsenergiförlust, leder till det vi kallar kvantdekoherens. Tänk på det så här:i en fiol, du tillhandahåller en resonanskropp, som tar upp strängvibrationerna och omvandlar dem till ljudvågor som luften för med sig. Det är vad du hör. Vi var tvungna att uppnå det motsatta:begränsa endast vibrationerna till membranet, så att vi kan följa dess ostörda kvantrörelse så länge som möjligt. För det var vi tvungna att utveckla en speciell "kropp" som inte kan vibrera vid membranets frekvenser ".

Detta uppnåddes med en så kallad fononisk kristall, ett vanligt hålmönster som uppvisar en fonologisk bandgap, det är, ett band med frekvenser där strukturen inte kan vibrera. Yeghishe Tsaturyan, en doktorand i teamet, realiserade ett membran med en sådan speciell kaross vid Danchips nanofabrikationsanläggningar i Lyngby.

En andra utmaning består i att göra tillräckligt exakta mätningar. Med hjälp av tekniker från området Optomekanik, vilket är Schliessers expertis, laget skapade ett dedikerat experiment vid Niels Bohr Institute, baserad på en laser skräddarsydd för deras behov, och ett par starkt reflekterande speglar mellan vilka membranet är anordnat. Detta gjorde att de kunde lösa vibrationer med amplituder som är mycket mindre än en protons radie (1 femtometer).

"Att göra mätningar så känsliga är inte lätt, i synnerhet eftersom pumpar och annan laboratorieutrustning vibrerar med mycket större amplituder. Så vi måste se till att detta inte visas i vår mätpost, "tillägger doktoranden William Nielsen.

Vakuum slår trumman

Ändå är det exakt intervallet med ultraprecisionsmätningar där det blir intressant. Sedan, det börjar spela roll, enligt kvantmekanik, processen för att mäta rörelsen påverkar också den. I experimentet, denna "kvantmätning bakåtgärd" orsakas av laserljusets oundvikliga kvantfluktuationer. Inom ramen för kvantoptik, dessa orsakas av kvantfluktuationer i det elektromagnetiska fältet i tomt utrymme (vakuum). Konstigt som det låter, denna effekt lämnade tydliga signaturer i Niels Bohr -institutets experimentdata, nämligen starka korrelationer mellan ljusets kvantfluktuationer, och den mekaniska rörelsen mätt med ljus.

"Att observera och kvantifiera dessa kvantfluktuationer är viktigt för att bättre förstå hur de kan påverka mekaniska mätningar med ultraprecision - det vill säga mätningar av förskjutning, hastighet eller acceleration. Och här, membranets multi-mode-natur spelar in:det är inte bara en mer exakt bild av verkliga sensorer. Det kan också innehålla nyckeln för att övervinna några av de traditionella kvantgränserna för mätprecision med mer sofistikerade scheman, utnyttja kvantkorrelationer ", Albert Schliesser säger och tillägger, att i längden, kvantexperiment med allt mer komplexa mekaniska objekt kan också ge ett svar på frågan varför vi inte någonsin observerar en bastrumma i en kvantöverlagring (eller kommer vi?).