Fysiker på AMOLF har lyckats kyla en svängning, sträng i nanostorlek till nära noll temperatur utan att använda extern kylning. I deras experiment, kylningen är ett inneboende resultat av en "snapshot" positionsmätning som de utförde på en specialdesignad nanostruktur. ögonblicksbildmetoden, utvecklad i AMOLFs Photonic Forces-grupp, erbjuder möjligheter för nya tillämpningar inom kvantavkänning med oöverträffad känslighet. Forskarna beskriver sina resultat i en artikel som publicerades den 9 september i Fysiska granskningsbrev .

En gunga på lekplatsen rör sig inte förrän någon ger den en knuff, men en nanostorlek (eller en nanomekanisk resonator) rör sig alltid på grund av slumpmässiga termiska vibrationer. "Den konventionella metoden för att mäta en nanosvings position exakt har begränsad prediktiv kraft, eftersom data är medelvärde över tiden, " förklarar gruppledare Ewold Verhagen. "Innan mätningen är över, påverkan av temperaturen har redan ändrat positionen med en slumpmässig mängd."

Således, att skaffa korrekt kunskap om gungans position när som helst, termisk rörelse måste elimineras. "För att verkligen veta var föremålet är, du behöver en (nära) nolltemperatur, " säger Verhagen. "I experiment med tidsgenomsnittliga positionsmätningar, detta uppnås vanligtvis genom att fysiskt kyla experimentet till nästan noll Kelvin."

Mätning =kylning

Photonic Forces-gruppen vid AMOLF utvecklade ett annat tillvägagångssätt genom att använda laserljus för att ta exakta och nästan omedelbara mätningar (snapshots) av positionen för nanoskalastrukturen:en liten dubbelstav av kisel som vibrerar som ett snöre. "Utformningen av vår nanoswing gör att den kan interagera starkt med laserljuset som vi använder för att mäta dess position. Det faktum att vi tar en ögonblicksbild istället för en tidsgenomsnittlig mätning, är avgörande, " säger Verhagen. "Sedan 1978, forskare i Ryssland och Österrike har föreslagit att använda mätningar, vars varaktighet är mycket kortare än svängningsperioden, och tiden det tar för nanoswingen att interagera med sin termiska miljö. Vi har nu visat att ögonblicksbilderna tillåter oss att exakt förutsäga nanosvingens position, även utan extern kylning. Mätningen i sig tar bort termisk osäkerhet, och kyler därmed nanoswingen lika mycket som en extern kylningsmetod skulle göra."

Kvantfluktuationer

Även om de inte är den första gruppen som demonstrerar ögonblicksbildsprincipen, Verhagen och hans team har nått en oöverträffad mätnoggrannhet som inte bara eliminerar de termiska vibrationerna, men kommer också inom intervallet för ännu mindre kvantfluktuationer av nanosvingarna.

Verhagen säger:"Sådana kvantfluktuationer kvarstår även vid absolut nolltemperatur. Alltså, de sätter normalt en gräns för känsligheten för mekaniska mätningar. Men teoretiskt sett, snabba ögonblicksbilder är inte föremål för begränsningen av kvantfluktuationer. Därför, våra fynd kan mycket väl leda till nya tillämpningar inom kvantsensorer. Helst vi skulle vilja utveckla avkänningsmetoder med mindre brus än de bästa (tidsgenomsnittliga) avkänningsmetoderna i en noll Kelvin-miljö. "