Fysiker vid universitetet i Basel har utvecklat en ny kylteknik för mekaniska kvantsystem. Med hjälp av en ultrakyld atomgas, vibrationerna i ett membran kyldes ner till mindre än 1 grad över absolut noll. Denna teknik kan möjliggöra nya studier av kvantfysik och precisionsmätanordningar, som forskarna rapporterar i tidskriften Naturnanoteknik .

Ultrakylda atomgaser är bland de kallaste föremålen som finns. Laserstrålar kan användas för att fånga atomer inuti en vakuumkammare och sakta ner deras rörelse till en krypning, når temperaturer på mindre än 1 miljonedel av en grad över absolut noll - temperaturen vid vilken all rörelse stannar. Vid så låga temperaturer, atomer följer kvantfysikens lagar:de rör sig som små vågpaket och kan vara i en superposition av att vara på flera ställen samtidigt. Dessa funktioner utnyttjas i teknik som atomur och andra precisionsmätningsanordningar.

Ett ultrakallt atomkylskåp

Kan dessa ultrakylda gaser också användas som köldmedier, att kyla andra föremål till mycket låga temperaturer? Detta skulle öppna många möjligheter för undersökning av kvantfysik i nya och potentiellt större system. Problemet är att atomerna är mikroskopiskt små och även de största molnen som producerats hittills, som består av flera miljarder ultrakylda atomer, innehåller fortfarande mycket färre partiklar än något så litet som ett sandkorn. Som ett resultat, atomernas kylkraft är begränsad.

Ett team av forskare vid University of Basel under ledning av professor Philipp Treutlein har nu lyckats använda ultrakylda atomer för att kyla vibrationerna i ett millimeterstort membran. Membranet, en kiselnitridfilm med 50 nm tjocklek, svänger upp och ner som ett litet fyrkantigt trumhuvud. Sådana mekaniska oscillatorer är aldrig helt i vila utan visar termiska vibrationer som beror på deras temperatur. Även om membranet innehåller ungefär en miljard gånger fler partiklar än atommolnet, en stark kylningseffekt observerades, som kylde membranvibrationerna till mindre än 1 grad över absolut noll.

"Tricket här är att koncentrera hela atomkylningskraften till membranets önskade vibrationsläge, "förklarar doktor Andreas Jöckel, medlem i projektteamet. Interaktionen mellan atomer och membran genereras av en laserstråle. Som fysikern förklarar:"Laserljuset utövar krafter på membranet och atomer. Vibration av membranet förändrar ljuskraften på atomerna och vice versa." Lasern överför kyleffekten över avstånd på flera meter, så atommolnet behöver inte vara i direkt kontakt med membranet. Kopplingen förstärks av en optisk resonator som består av två speglar, mellan vilket membranet är inklämt.

Det första experimentet i sitt slag världen över

System som använder ljus för att koppla samman ultrakylda atomer och mekaniska oscillatorer har redan föreslagits teoretiskt. Experimentet vid universitetet i Basel är det första i världen som realiserar ett sådant system och använder det för att kyla oscillatorn. Ytterligare tekniska förbättringar bör göra det möjligt att kyla membranvibrationerna till det kvantmekaniska jordtillståndet.

För forskarna, kylning av membranet med atomerna är bara det första steget:"Atomernas välkontrollerade kvantkaraktär i kombination med den ljusinducerade interaktionen öppnar nya möjligheter för kvantkontroll av membranet, "säger Treutlein. Detta kan möjliggöra grundläggande kvantfysiska experiment med ett relativt makroskopiskt mekaniskt system, synlig för blotta ögat. Det kan också vara möjligt att generera så kallade intrasslade tillstånd mellan atomer och membran. Dessa skulle möjliggöra mätning av membranvibrationer med aldrig tidigare skådad precision, vilket i sin tur skulle möjliggöra utveckling av nya sorters sensorer för små krafter och massor.