Ett team av forskare vid Max Planck Institute for the Science of Light under ledning av Dr Birgit Stiller har lyckats kyla vandrande ljudvågor i vågledare betydligt längre än vad som tidigare varit möjligt med laserljus. Denna prestation representerar ett betydande steg mot det slutliga målet att nå kvantgrundtillståndet för ljud i vågledare.
Oönskat brus som genereras av de akustiska vågorna vid rumstemperatur kan elimineras. Detta experimentella tillvägagångssätt ger både en djupare förståelse för övergången från klassiska till kvantfenomen av ljud och är relevant för kvantkommunikationssystem och framtida kvantteknologier.
Kvantjordtillståndet för en akustisk våg med en viss frekvens kan uppnås genom att systemet kyls helt ned. På så sätt kan antalet kvantpartiklar, de så kallade akustiska fononerna, som orsakar störningar av kvantmätningar, reduceras till nästan noll och gapet mellan klassisk och kvantmekanik överbryggas.
Under det senaste decenniet har stora tekniska framsteg gjorts, vilket gör det möjligt att sätta olika system i detta tillstånd. Mekaniska vibrationer som oscillerar mellan två speglar i en resonator kan kylas till mycket låga temperaturer så långt som till kvantjordtillståndet. Detta har ännu inte varit möjligt för optiska fibrer där högfrekventa ljudvågor kan fortplanta sig. Nu har forskare från Stiller Research Group tagit ett steg närmare detta mål.
I deras studie, nyligen publicerad i Physical Review Letters , rapporterar de att de kunde sänka temperaturen på en ljudvåg i en optisk fiber initialt vid rumstemperatur med 219 K med hjälp av laserkylning, tio gånger längre än vad som tidigare rapporterats. Till slut reducerades det initiala fononnumret med 75 % vid en temperatur på 74 K, -199 Celsius.
En sådan drastisk sänkning av temperaturen möjliggjordes genom att använda laserljus. Kylning av de fortplantande ljudvågorna uppnåddes via den olinjära optiska effekten av stimulerad Brillouin-spridning, där ljusvågor effektivt kopplas till ljudvågor.
Genom denna effekt kyler laserljuset de akustiska vibrationerna och skapar en miljö med mindre termiskt brus, vilket till viss del är "störande" brus för till exempel ett kvantkommunikationssystem. "En intressant fördel med glasfibrer, förutom denna starka interaktion, är det faktum att de kan leda ljus och ljud utmärkt över långa avstånd", säger Laura Blázquez Martínez, en av huvudförfattarna till artikeln och doktorand i Stiller forskargrupp.
De flesta fysiska plattformar som tidigare förts till kvantgrundtillståndet var mikroskopiska. Men i detta experiment var längden på den optiska fibern 50 cm, och en ljudvåg som sträckte sig över hela 50 cm av fiberns kärna kyldes till extremt låga temperaturer.
"Dessa resultat är ett mycket spännande steg mot kvantgrundtillståndet i vågledare, och manipuleringen av så långa akustiska fononer öppnar möjligheter för bredbandstillämpningar inom kvantteknologi", enligt Dr Birgit Stiller, chef för kvantoptoakustikgruppen.
Ljud, i den vardagliga klassiska världen, kan förstås som en densitetsvåg i ett medium. Men ur kvantmekanikens perspektiv kan ljud också beskrivas som en partikel:fononen. Denna partikel, ljudkvantumet, representerar den minsta mängd energi som uppstår som en akustisk våg vid en viss frekvens. För att kunna se och studera en enskild ljudkvanta måste antalet fononer minimeras.
Övergången från ljudets klassiska till kvantbeteende är ofta lättare att observera i kvantgrundtillståndet, där antalet fononer i genomsnitt är nära noll, så att vibrationerna nästan fryser och kvanteffekter kan mätas.
Stiller säger, "Detta öppnar dörren till ett nytt landskap av experiment som tillåter oss att få djupare insikter i materiens grundläggande natur." Fördelen med att använda ett vågledarsystem är att ljus och ljud inte binds mellan två speglar utan fortplantar sig längs vågledaren. De akustiska vågorna existerar som ett kontinuum – inte bara för specifika frekvenser – och kan ha en bred bandbredd, vilket gör dem lovande för applikationer som höghastighetskommunikationssystem.
"Vi är mycket entusiastiska över de nya insikter som att driva dessa fibrer in i kvantgrundtillståndet kommer att ge", betonar forskargruppsledaren. "Inte bara från grundforskningssynpunkt, vilket gör att vi kan kika in i kvantnaturen hos utökade objekt, utan också på grund av de tillämpningar detta kan ha i kvantkommunikationssystem och framtida kvantteknologier."
Mer information: Laura Blázquez Martínez et al, Optoacoustic Cooling of Traveling Hypersound Waves, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.023603
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Max Planck Institute for the Science of Light
