Sensoren zijn een pijler van het internet der dingen en leveren de gegevens om allerlei soorten objecten te besturen. Hier is precisie essentieel, en dit is waar kwantumtechnologieën een verschil kunnen maken. Onderzoekers in Innsbruck en Zürich demonstreren nu hoe nanodeeltjes in kleine optische resonatoren kunnen worden overgebracht naar een kwantumregime en worden gebruikt als uiterst nauwkeurige sensoren.

Vooruitgang in de kwantumfysica biedt nieuwe kansen om de precisie van sensoren aanzienlijk te verbeteren en zo nieuwe technologieën mogelijk te maken. Een team onder leiding van Oriol Romero-Isart van het Institute of Quantum Optics and Quantum Information aan de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en het Department of Theoretical Physics aan de Universiteit van Innsbruck en een team onder leiding van Romain Quidant van ETH Zürich stellen nu een nieuw concept voor voor een zeer nauwkeurige kwantumsensor. De onderzoekers suggereren dat de bewegingsfluctuaties van een nanodeeltje gevangen in een microscopische optische resonator aanzienlijk kunnen worden verminderd onder de nulpuntsbeweging door gebruik te maken van de snelle onstabiele dynamiek van het systeem.

Deeltje gevangen tussen spiegels

Mechanisch kwantumknijpen vermindert de onzekerheid van bewegingsfluctuaties onder de nulpuntbeweging, en het is in het verleden experimenteel aangetoond met micromechanische resonatoren in het kwantumregime. De onderzoekers stellen nu een nieuwe benadering voor, speciaal afgestemd op zwevende mechanische systemen. "We laten zien dat een goed ontworpen optische holte kan worden gebruikt om de beweging van een zwevend nanodeeltje snel en krachtig samen te drukken", zegt Katja Kustura van het team van Oriol Romero-Isart in Innsbruck. In een optische resonator wordt licht gereflecteerd tussen spiegels en interageert het met het zwevende nanodeeltje. Dergelijke interactie kan dynamische instabiliteiten veroorzaken, die vaak als ongewenst worden beschouwd. De onderzoekers laten nu zien hoe ze in plaats daarvan als hulpmiddel kunnen worden gebruikt. "In het huidige werk laten we zien hoe, door deze instabiliteiten goed te beheersen, de resulterende onstabiele dynamiek van een mechanische oscillator in een optische holte leidt tot mechanisch knijpen", zegt Kustura. Het nieuwe protocol is robuust in de aanwezigheid van dissipatie, waardoor het bijzonder haalbaar is in zwevende optomechanica. In de paper, gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters , passen de onderzoekers deze benadering toe op een silica-nanodeeltje dat via coherente verstrooiing aan een microholte is gekoppeld. "Dit voorbeeld laat zien dat we het deeltje met een orde van grootte onder de nulpuntbeweging kunnen samendrukken, zelfs als we uitgaan van een initiële thermische toestand", zegt Oriol Romero-Isart met genoegen.

Het werk biedt een nieuw gebruik van optische holtes als mechanische kwantumpersen, en het suggereert een haalbare nieuwe route in zwevende optomechanica voorbij de kwantumkoeling van de grondtoestand. Micro-resonatoren bieden daarmee een interessant nieuw platform voor het ontwerpen van kwantumsensoren, die bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt in satellietmissies, zelfrijdende auto's en in seismologie. + Verder verkennen

Kwantumdeeltjes:getrokken en samengedrukt