Forskare vid det schweiziska federala tekniska institutet Lausanne (EPFL) och IBM Research Europe demonstrerade nyligen laserkylningen av en nanomekanisk oscillator ner till dess nollpunktsenergi (dvs. punkten där den innehåller en minimal mängd energi). Deras framgångsrika demonstration, med i Fysiska granskningsbrev , kan få viktiga konsekvenser för utvecklingen av kvantteknologier.

Under mycket lång tid, forskare specialiserade på olika områden av vetenskap och teknik har utvecklat verktyg som utnyttjar de akustiska egenskaperna hos föremål, såsom akustiska resonanser eller mekaniska vibrationer. Till exempel, mekaniska resonanser har länge använts för att bearbeta signaler eller för insamling av mycket exakta mätningar.

På en mer grundläggande nivå, dessa resonanser följer kvantmekanikens lagar. Framtida teknologier som utnyttjar materialens akustiska egenskaper skulle därmed också kunna dra fördel av deras kvantmekaniska egenskaper, såsom intrassling mellan två mekaniska vibrationer eller överlagring av två vibrationstillstånd.

"Detta inträde i kvantregimen är parallellt med andra kvantteknologier, som kvantdatorer, "Dr. Itay Shomroni, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Kvantumnaturen hos dessa relativt stora objekt maskeras av yttre påverkan från miljön, den mest genomgripande av dessa är termiskt brus - slumpmässiga fluktuationer på grund av en ändlig temperatur."

För att nå en regim där det är möjligt att observera kvantmekaniska effekter, forskare måste först ta bort buller som härrör från miljöpåverkan. Detta kan uppnås genom att kyla en mekanisk oscillator till dess lägsta möjliga energitillstånd, känd som grundtillstånd.

På grund av kvantmekanikens lagar, en oscillator fryser inte när den är i sitt marktillstånd, men hellre, den innehåller en minimal mängd energi, den så kallade "nollpunktsenergin." Under det senaste decenniet, olika forskargrupper har kommit allt närmare att föra mekanisk rörelse till grundtillståndet och därmed till nollpunktsenergin, använder en mängd olika nano- och mikromekaniska oscillatorer.

"En metod är helt enkelt att kyla hela apparaten till extremt låga temperaturer, i milli-Kelvin-intervallet, Shomroni sa, "men detta ökar experimentens komplexitet och introducerar andra begränsningar. Vi har också strävat efter att uppnå marktillståndskylning i vårt system som fungerar på flera Kelvin."

I deras studie, Liu Qiu, Shomroni, och deras kollegor försökte kyla en nanomekanisk oscillator ner till dess nollpunktsenergi med hjälp av laserkylningstekniker. Anmärkningsvärt, de kunde uppnå en extremt låg beläggning (dvs. 92 % markstatsockupation), trycker systemet mycket djupare in i kvantregimen.

"Vi använder laserljus för att kyla rörelsen hos vår mekaniska oscillator, vilket kan verka förvånande till en början, Shomroni förklarade. "Detta är en välkänd teknik som användes i andra experiment, också. Ljus utövar en kraft på materia som kallas strålningstryck. Denna kraft kan användas för att dämpa och kyla mekanisk rörelse, förutsatt att den tillämpas korrekt, motverka objektets hastighet."

I experimentet, den mekaniska vibrationen uppstår i en sektion av en nanostråle av kisel som är flera mikrometer lång och 220 nm x 530 nm i tvärsnitt. Detta avsnitt utgör också en del av en optisk kavitet i vilken forskarna injicerade laserstrålar. Vibrationen och lätta trycket i detta system är beroende av varandra, Således, de relaterar på ett sätt som i slutändan kyler systemet.

"Som vi vet, ljus kan också värma upp föremål eftersom det absorberas, " sa Shomroni. "För att minimera effekten av absorption, vi omgav vår oscillator med en liten mängd heliumgas, så att överskottsvärme snabbt kan försvinna."

Med deras laserkylningsbaserade metod, Qiu, Shomroni och deras kollegor kunde kyla en nanomekanisk oscillator mycket nära dess nollpunktsenergi. Resultaten de uppnådde visar effektiviteten hos tillvägagångssätt som utnyttjar interaktionen mellan laserteknik och mekaniska vibrationer för att kyla mekaniska föremål.

Forskarna mätte också den kvarvarande termiska energin i deras system på plats med hjälp av ett kalibreringsfritt mått som erbjuds av oscillatorn själv - nämligen, förhållandet mellan dess absorptions- och utsläppshastighet. Denna speciella metrik är också känd för att vara en signatur av en oscillators kvantnatur.

Förmågan att kyla ner ett kvantsystem till dess grundtillstånd kan öppna upp nya möjligheter, både för utveckling av ny kvantteknologi och för vidare forskning inom kvantmekanik. Till exempel, denna förmåga skulle kunna möjliggöra skapandet av ett relativt stort mekaniskt objekt i ett kvantöverlagringstillstånd känt som Schrödinger-katttillstånd.

Dessutom, utvecklingen av en metod som kan föra mekaniska system närmare sin nollpunktsenergi kan få viktiga konsekvenser för kvantberäkningar. Forskare vid IBM försöker för närvarande utveckla enheter som effektivt kan omvandla kvantinformation, omvandla den från supraledande qubits till optiska fotoner.

"Sådana enheter skulle fungera som ett sätt att ansluta kvantdatorer baserade på supraledande qubits med fiberoptiska kablar för att skapa ett kvantnätverk och ytterligare skala beräkningskraften, "Paul Seidler, en annan forskare som utförde studien, sa till Phys.org "Hintills, de mest framgångsrika metoderna för mikrovågsoptisk transduktion använder ett mekaniskt system som mellanhand. För denna applikation, förmågan att initiera det mekaniska systemet i dess grundtillstånd kan vara avgörande."

I framtida arbete, EPFL-IBM-teamet planerar att använda sin teknik för att kyla mekaniska system ner till deras nollpunktsenergi för att kontrollera deras rörelse på nya intressanta sätt. Till exempel, forskarna skulle vilja utforska deras metods potential för att producera en mängd exotiska kvanttillstånd.

© 2020 Science X Network