Kredit:Universitetet i Innsbruck
Sensorer är en pelare i Internet of Things, som tillhandahåller data för att kontrollera alla typer av objekt. Här är precision avgörande, och det är här kvantteknologier kan göra skillnad. Forskare i Innsbruck och Zürich demonstrerar nu hur nanopartiklar i små optiska resonatorer kan överföras till en kvantregim och användas som högprecisionssensorer.
Framsteg inom kvantfysiken erbjuder nya möjligheter att avsevärt förbättra sensorernas precision och därmed möjliggöra ny teknik. Ett team som leds av Oriol Romero-Isart från Institutet för kvantoptik och kvantinformation vid Österrikiska vetenskapsakademin och institutionen för teoretisk fysik vid universitetet i Innsbruck och ett team som leds av Romain Quidant från ETH Zürich föreslår nu ett nytt koncept för en kvantsensor med hög precision. Forskarna föreslår att rörelsefluktuationerna hos en nanopartikel som fångas i en mikroskopisk optisk resonator skulle kunna reduceras avsevärt under nollpunktsrörelsen genom att utnyttja systemets snabba instabila dynamik.
Partikel fångad mellan speglar
Mekanisk kvantklämning minskar osäkerheten i rörelsefluktuationer under nollpunktsrörelsen, och det har experimentellt demonstrerats tidigare med mikromekaniska resonatorer i kvantregimen. Forskarna föreslår nu ett nytt tillvägagångssätt, speciellt anpassat för leviterade mekaniska system. "Vi visar att en korrekt utformad optisk kavitet kan användas för att snabbt och kraftigt pressa rörelsen hos en svävande nanopartikel", säger Katja Kustura från Oriol Romero-Isarts team i Innsbruck. I en optisk resonator reflekteras ljus mellan speglar och det interagerar med den leviterade nanopartikeln. Sådan interaktion kan ge upphov till dynamiska instabiliteter, som ofta anses vara oönskade. Forskarna visar nu hur de istället kan användas som en resurs. "I detta arbete visar vi hur, genom att korrekt kontrollera dessa instabiliteter, den resulterande instabila dynamiken hos en mekanisk oscillator inuti en optisk hålighet leder till mekanisk klämning," säger Kustura. Det nya protokollet är robust i närvaro av spridning, vilket gör det särskilt genomförbart i leviterad optomekanik. I tidningen, publicerad i tidskriften Physical Review Letters , tillämpar forskarna detta tillvägagångssätt på en kiseldioxidnanopartikel kopplad till en mikrokavitet via koherent spridning. "Det här exemplet visar att vi kan klämma partikeln i storleksordningar under nollpunktsrörelsen, även om vi börjar från ett initialt termiskt tillstånd," är Oriol Romero-Isart glad att säga.
Arbetet ger en ny användning av optiska kaviteter som mekaniska kvantpressare, och det föreslår en livskraftig ny väg inom leviterad optomekanik bortom kvantgrundkylningen. Mikroresonatorer erbjuder alltså en intressant ny plattform för design av kvantsensorer, som kan användas till exempel i satellituppdrag, självkörande bilar och inom seismologi. + Utforska vidare
