Onderzoekers van het Center for Nanoscale Materials presenteren een kwantummodel voor het bereiken van koeling in de grondtoestand in mechanische resonatoren met een lage frequentie en laten zien hoe coöperatie en verstrengeling sleutelfactoren zijn om het koelcijfer van verdienste te verbeteren.

Een resonator met bijna nul thermische ruis heeft betere prestatiekenmerken bij detectie op nanoschaal, kwantumherinneringen, en toepassingen voor het verwerken van kwantuminformatie. Passieve cryogene koeltechnieken, zoals verdunningskoelkasten, hebben met succes hoogfrequente resonatoren gekoeld, maar zijn niet voldoende voor systemen met een lagere frequentie. Het optomechanische effect is met succes toegepast om laagfrequente systemen te koelen na een eerste koelfase. Deze methode koppelt parametrisch een mechanische resonator aan een aangedreven optische holte, en, door zorgvuldige afstemming van de aandrijffrequentie, bereikt het gewenste verkoelende effect. Het optomechanische effect wordt uitgebreid naar een alternatieve benadering voor koeling in de grondtoestand op basis van ingebedde vastestofdefecten. Engineering van de atoom-resonator koppelingsparameters wordt voorgesteld, met behulp van het spanningsprofiel van de mechanische resonator waardoor koeling door de donkere verstrengelde toestanden van het systeemensemble op twee niveaus kan gaan. Deze benadering maakt koeling in de grondtoestand mogelijk ondanks zwakke interactiesterkten die vaak worden gezien in experimentele instellingen. Verstrengeling en coöperatieve effecten zijn sleutelfactoren om het verkoelende cijfer van verdienste te verbeteren.

De resultaten zijn van toepassing op een verscheidenheid aan systemen, zoals leegstandscentra voor silicium en stikstof in diamant- en kwantumdots, en het potentieel voor miniaturisatie en werking bij kamertemperatuur vergroten die nodig zijn voor technologische toepassingen op de lange termijn. Dit werk maakt de weg vrij voor experimenten met koeling in de grondtoestand met behulp van defecten in vaste toestand. De aanpak, toegankelijk voor experimentele demonstraties en universeel voor een verscheidenheid aan systemen, overwint de belangrijkste obstakels die de realisatie van koeling in de grondtoestand hebben geblokkeerd met behulp van ingebedde vastestofdefecten.

Rigoureuze kwantumsimulaties van op elkaar inwerkende 2-niveausystemen (atomen, NV-centra, enz.) ingebed in een mechanische resonator (bijv. microschaal cantilever) werden uitgevoerd. Engineering van de lokale fase van de koppelingssterkten met behulp van het rekprofiel in mechanische resonatoren maakt efficiënte koeling mogelijk, gemedieerd door coöperativiteit en verstrengeling.