Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een mechanisch object afgekoeld tot een temperatuur die lager is dan eerder voor mogelijk werd gehouden. onder de zogenaamde "kwantumlimiet".

De nieuwe NIST-theorie en experimenten, beschreven in de 12 januari, 2017, probleem van Natuur , toonde aan dat een microscopisch kleine mechanische trommel - een trillend aluminium membraan - kon worden gekoeld tot minder dan een vijfde van een enkel kwantum, of pakje energie, lager dan normaal voorspeld door de kwantumfysica. De nieuwe techniek zou theoretisch kunnen worden gebruikt om objecten af ​​te koelen tot het absolute nulpunt, de temperatuur waarbij materie verstoken is van bijna alle energie en beweging, Dat zeiden NIST-wetenschappers.

"Hoe kouder je de trommel kunt krijgen, hoe beter het is voor elke toepassing, " zei NIST-natuurkundige John Teufel, die het experiment leidde. "Sensoren zouden gevoeliger worden. Je kunt informatie langer bewaren. Als je het in een kwantumcomputer zou gebruiken, dan zou je zonder vervorming rekenen, en je zou eigenlijk het antwoord krijgen dat je wilt."

"De resultaten waren een complete verrassing voor experts in het veld, Teufels groepsleider en co-auteur José Aumentado zei. "Het is een zeer elegant experiment dat zeker veel impact zal hebben."

De trommel, 20 micrometer in diameter en 100 nanometer dik, is ingebed in een supergeleidend circuit dat zo is ontworpen dat de trommelbeweging de microgolven beïnvloedt die terugkaatsen in een holle behuizing die bekend staat als een elektromagnetische holte. Microgolven zijn een vorm van elektromagnetische straling, dus ze zijn in feite een vorm van onzichtbaar licht, met een langere golflengte en lagere frequentie dan zichtbaar licht.

Het microgolflicht in de holte verandert zo nodig van frequentie om overeen te komen met de frequentie waarop de holte van nature resoneert, of trilt. Dit is de natuurlijke "toon van de holte, " analoog aan de muzikale toonhoogte die een met water gevuld glas zal klinken als er met een vinger over de rand wordt gewreven of als er met een lepel op de zijkant wordt geslagen.

NIST-wetenschappers hebben de kwantumdrum eerder afgekoeld tot de laagste energie "grondtoestand, " of een derde van een kwantum. Ze gebruikten een techniek genaamd zijbandkoeling, waarbij een microgolftoon op het circuit wordt toegepast met een frequentie onder de resonantie van de holte. Deze toon drijft elektrische lading in het circuit aan om de drum te laten kloppen. De drumbeats genereren lichte deeltjes, of fotonen, die van nature overeenkomen met de hogere resonantiefrequentie van de holte. Deze fotonen lekken uit de holte terwijl deze vol raakt. Elk vertrekkend foton neemt één mechanische eenheid energie mee - één fonon - uit de beweging van de trommel. Dit is hetzelfde idee als laserkoeling van individuele atomen, voor het eerst gedemonstreerd bij NIST in 1978 en nu veel gebruikt in toepassingen zoals atoomklokken.

Het nieuwste NIST-experiment voegt een nieuwe draai toe:het gebruik van "squeezed light" om het drumcircuit aan te drijven. Knijpen is een kwantummechanisch concept waarbij ruis, of ongewenste schommelingen, wordt verplaatst van een nuttige eigenschap van het licht naar een ander aspect dat het experiment niet beïnvloedt. Deze kwantumfluctuaties beperken de laagste temperaturen die met conventionele koeltechnieken kunnen worden bereikt. Het NIST-team gebruikte een speciaal circuit om microgolffotonen te genereren die werden gezuiverd of ontdaan van intensiteitsfluctuaties, waardoor onbedoelde verwarming van de trommel werd verminderd.

"Lawaai geeft willekeurige kicks of verhitting aan het ding dat je probeert af te koelen, "Zei Teufel. "We persen het licht op een 'magisch' niveau - in een heel specifieke richting en hoeveelheid - om perfect gecorreleerde fotonen te maken met een stabielere intensiteit. Deze fotonen zijn zowel kwetsbaar als krachtig."

De NIST-theorie en experimenten geven aan dat samengeperst licht de algemeen aanvaarde koellimiet verwijdert, zei Teufel. Dit omvat objecten die groot zijn of werken op lage frequenties, welke het moeilijkst te koelen zijn.

De trommel kan worden gebruikt in toepassingen zoals hybride kwantumcomputers die zowel kwantum- als mechanische elementen combineren, zei Teufel. Een hot topic in natuurkundig onderzoek over de hele wereld, kwantumcomputers zouden in theorie bepaalde problemen kunnen oplossen die tegenwoordig als hardnekkig worden beschouwd.