Fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har kylt ett mekaniskt föremål till en lägre temperatur än tidigare trott möjligt, under den så kallade "kvantgränsen".

Den nya NIST -teorin och experimenten, beskrivs i 12 januari, 2017, frågan om Natur , visade att en mikroskopisk mekanisk trumma-ett vibrerande aluminiummembran-kunde kylas till mindre än en femtedel av en enda kvant, eller ett paket med energi, lägre än vad som normalt förutses av kvantfysiken. Den nya tekniken skulle teoretiskt kunna användas för att kyla objekt till absolut noll, temperaturen vid vilken materia saknar nästan all energi och rörelse, NIST -forskare sa.

"Ju kallare du kan få trumman, desto bättre är det för alla applikationer, "sa NIST -fysikern John Teufel, som ledde experimentet. "Sensorer skulle bli mer känsliga. Du kan lagra information längre. Om du använde den i en kvantdator, då skulle du beräkna utan snedvridning, och du skulle faktiskt få det svar du vill ha. "

"Resultaten var en fullständig överraskning för experter på området, "Teufels gruppledare och medförfattare José Aumentado sa." Det är ett mycket elegant experiment som säkert kommer att få stor effekt. "

Trumman, 20 mikrometer i diameter och 100 nanometer tjock, är inbäddad i en supraledande krets utformad så att trumrörelsen påverkar mikrovågorna som studsar inuti ett ihåligt hölje som kallas en elektromagnetisk hålighet. Mikrovågor är en form av elektromagnetisk strålning, så de är i själva verket en form av osynligt ljus, med en längre våglängd och lägre frekvens än synligt ljus.

Mikrovågsljuset inuti hålrummet ändrar sin frekvens efter behov för att matcha frekvensen vid vilken håligheten naturligt resonerar, eller vibrerar. Detta är kavitetens naturliga "ton, "analogt med den musikaliska tonhöjden att ett vattenfyllt glas kommer att låta när dess kant gnids med ett finger eller sidan slås med en sked.

NIST-forskare kylde tidigare kvanttrumman till dess lägsta energi "marktillstånd, "eller en tredjedel av en kvant. De använde en teknik som kallas sidbandskylning, vilket innebär att man applicerar en mikrovågston på kretsen med en frekvens under hålighetens resonans. Denna ton driver elektrisk laddning i kretsen för att få trumman att slå. Trumslagen genererar ljuspartiklar, eller fotoner, som naturligtvis matchar kavitetens högre resonansfrekvens. Dessa fotoner läcker ut ur hålrummet när det fylls upp. Varje avgående foton tar med sig en mekanisk enhet av energi - en fonon - från trummans rörelse. Detta är samma idé som laserkylning av enskilda atomer, demonstrerades först vid NIST 1978 och används nu i stor utsträckning i applikationer som atomklockor.

Det senaste NIST -experimentet ger en ny twist - användningen av "pressat ljus" för att driva trumkretsen. Klämning är ett kvantmekaniskt koncept där buller, eller oönskade fluktuationer, flyttas från en användbar egenskap hos ljuset till en annan aspekt som inte påverkar experimentet. Dessa kvantfluktuationer begränsar de lägsta temperaturer som kan uppnås med konventionell kylteknik. NIST -teamet använde en speciell krets för att generera mikrovågsfoton som renades eller avskalades från intensitetsfluktuationer, vilket reducerade oavsiktlig uppvärmning av trumman.

"Buller ger slumpmässiga sparkar eller uppvärmning till det du försöker kyla, "Teufel sa." Vi pressar ljuset på en "magisk" nivå - i en mycket specifik riktning och mängd - för att göra perfekt korrelerade fotoner med mer stabil intensitet. Dessa fotoner är både sköra och kraftfulla. "

NIST -teorin och experimenten indikerar att pressat ljus tar bort den allmänt accepterade kylgränsen, Sa Teufel. Detta inkluderar objekt som är stora eller fungerar vid låga frekvenser, som är svårast att kyla.

Trumman kan användas i applikationer som hybridkvantdatorer som kombinerar både kvant- och mekaniska element, Sa Teufel. Ett hett ämne inom fysikforskning runt om i världen, kvantdatorer kan teoretiskt lösa vissa problem som anses vara svårhanterliga idag.