Center for Nanoscale Materials-forskare presenterar en kvantmodell för att uppnå kylning av marktillstånd i lågfrekventa mekaniska resonatorer och visar hur kooperativitet och intrassling är nyckelfaktorer för att förbättra kylningens förtjänst.

En resonator med termiskt brus nära noll har bättre prestandaegenskaper vid nanoskala avkänning, kvantminnen, och applikationer för behandling av kvantinformation. Passiv kryogen kylningsteknik, såsom utspädningskylskåp, har framgångsrikt kylt högfrekventa resonatorer men är inte tillräckliga för system med lägre frekvens. Den optomekaniska effekten har framgångsrikt tillämpats för att kyla lågfrekventa system efter ett första kylningssteg. Denna metod kopplar parametriskt en mekanisk resonator till en driven optisk kavitet, och, genom noggrann inställning av frekvensen, uppnår önskad kylningseffekt. Den optomekaniska effekten utvidgas till ett alternativt tillvägagångssätt för kylning av marktillstånd baserat på inbyggda solid-state-defekter. Teknik för atom-resonatorkopplingsparametrar föreslås, med hjälp av den mekaniska resonatorns töjningsprofil som gör att kylningen kan fortsätta genom de mörka intrasslade tillstånden i systemsystemet med två nivåer. Detta tillvägagångssätt möjliggör kylning av marktillstånd trots svaga interaktionsstyrkor som vanligtvis ses i experimentella inställningar. Trassel och kooperativa effekter är nyckelfaktorer för att förbättra värdeskylningens värde.

Resultaten gäller för en mängd olika system, såsom kisel- och kvävevakanscentra i diamant- och kvantprickar, och främja potentialen för miniatyrisering och rumstemperaturdrift som krävs för långsiktiga tekniska tillämpningar. Detta arbete banar väg för kylningsexperiment med markläge med defekter i fast tillstånd. Tillvägagångssättet, tillgänglig för experimentella demonstrationer och universell för en mängd olika system, övervinner de viktigaste hindren som har blockerat förverkligandet av marktillståndskylning med hjälp av inbyggda solid-state-defekter.

Rigorösa kvantsimuleringar av interagerande system med två nivåer (atomer, NV -centra, etc.) inbäddad i en mekanisk resonator (t.ex. microscale cantilever) utfördes. Att konstruera den lokala fasen av kopplingsstyrkorna med hjälp av töjningsprofilen i mekaniska resonatorer möjliggör effektiv kylning förmedlad av kooperativitet och intrassling.