Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Een kwantumsprong bij kamertemperatuur:ultra-low noise-systeem zorgt voor optisch knijpen

Conceptuele kunst van het bedieningsapparaat, bestaande uit een met nanopilaren beladen trommel, ingeklemd door twee periodiek gesegmenteerde spiegels, waardoor het laserlicht bij kamertemperatuur een sterke kwantummechanische interactie met de trommel kan ondergaan. Credit:EPFL &Second Bay Studios

Op het gebied van de kwantummechanica is het vermogen om kwantumfenomenen bij kamertemperatuur waar te nemen en te beheersen lange tijd ongrijpbaar geweest, vooral op grote of ‘macroscopische’ schaal. Traditioneel zijn dergelijke waarnemingen beperkt gebleven tot omgevingen nabij het absolute nulpunt, waar kwantumeffecten gemakkelijker te detecteren zijn. Maar de noodzaak van extreme kou is een grote hindernis geweest, die de praktische toepassingen van kwantumtechnologieën beperkt.



Nu herdefinieert een onderzoek onder leiding van Tobias J. Kippenberg en Nils Johan Engelsen bij EPFL de grenzen van wat mogelijk is. Het baanbrekende werk combineert kwantumfysica en werktuigbouwkunde om controle te krijgen over kwantumfenomenen bij kamertemperatuur.

"Het bereiken van het regime van kwantumoptomechanica bij kamertemperatuur is al tientallen jaren een open uitdaging", zegt Kippenberg. "Ons werk realiseert op effectieve wijze de Heisenberg-microscoop, waarvan lang werd gedacht dat het slechts een theoretisch speelgoedmodel was."

In hun experimentele opstelling, gepubliceerd in Nature , creëerden de onderzoekers een optomechanisch systeem met ultralage ruis:een opstelling waarin licht en mechanische beweging met elkaar verbonden zijn, waardoor ze met hoge precisie kunnen bestuderen en manipuleren hoe licht bewegende objecten beïnvloedt.

Het grootste probleem met kamertemperatuur is thermische ruis, die de delicate kwantumdynamiek verstoort. Om dat te minimaliseren gebruikten de wetenschappers holtespiegels, dit zijn gespecialiseerde spiegels die licht heen en weer kaatsen in een besloten ruimte (de holte), waardoor het effectief wordt 'gevangen' en de interactie met de mechanische elementen in het systeem wordt verbeterd. Om de thermische ruis te verminderen, zijn de spiegels voorzien van een patroon van kristalachtige periodieke ("fononische kristal") structuren.

De kristalachtige holte spiegelt met de trommel in het midden. Credit:Guanhao Huang/EPFL

Een ander cruciaal onderdeel was een trommelachtig apparaat van 4 mm, een mechanische oscillator genaamd, die interageert met licht in de holte. De relatief grote omvang en het ontwerp zijn van cruciaal belang voor de isolatie van omgevingsgeluid, waardoor het mogelijk wordt subtiele kwantumfenomenen bij kamertemperatuur te detecteren.

"De trommel die we in dit experiment gebruiken is het resultaat van vele jaren van inspanningen om mechanische oscillatoren te creëren die goed geïsoleerd zijn van de omgeving", zegt Engelsen.

"De technieken die we hebben gebruikt om met beruchte en complexe geluidsbronnen om te gaan, zijn van grote relevantie en impact op de bredere gemeenschap van precisiedetectie en -meting", zegt Guanhao Huang, een van de twee Ph.D. studenten die het project leiden.

Dankzij de opstelling konden de onderzoekers 'optisch knijpen' bereiken, een kwantumfenomeen waarbij bepaalde eigenschappen van licht, zoals de intensiteit of fase, worden gemanipuleerd om de fluctuaties in de ene variabele te verminderen ten koste van toenemende fluctuaties in de andere, zoals gedicteerd door Heisenberg's theorie. principe.

Door optisch samenknijpen bij kamertemperatuur in hun systeem aan te tonen, toonden de onderzoekers aan dat ze kwantumfenomenen in een macroscopisch systeem effectief konden controleren en observeren zonder de noodzaak van extreem lage temperaturen. Bovenaan het formulier

Het team is van mening dat de mogelijkheid om het systeem bij kamertemperatuur te laten werken de toegang tot kwantum-optomechanische systemen zal vergroten, die gevestigde testbedden vormen voor kwantummetingen en kwantummechanica op macroscopische schaal.

"Het systeem dat we hebben ontwikkeld zou nieuwe hybride kwantumsystemen kunnen faciliteren waarbij de mechanische trommel een sterke interactie heeft met verschillende objecten, zoals gevangen atomenwolken", voegt Alberto Beccari, de andere Ph.D. student die de studie leidt. "Deze systemen zijn nuttig voor kwantuminformatie en helpen ons te begrijpen hoe we grote, complexe kwantumtoestanden kunnen creëren."

Meer informatie: Nils Engelsen, Kwantumoptomechanica op kamertemperatuur met behulp van een holte met ultralage ruis, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06997-3. www.nature.com/articles/s41586-023-06997-3

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Ecole Polytechnique Federale de Lausanne




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Veranderingen in diervoeder kunnen 1 miljard mensen van voedsel voorzien
  2. Scheepslawaai beïnvloedt het vermogen van mariene soorten om te communiceren
  3. Hoe bacteriën werken
  4. Invasieve uitheemse soorten? Is daar geen app voor?
  5. Soorten instrumenten die worden gebruikt voor het meten van lichaamstemperaturen
  6. Hoe bacteriën hun motoren turbochargeerden
  7. Nieuw onderzoek benadrukt de noodzaak om te leren van klimaatveranderingen uit het verleden
  8. Studie biedt een krachtige computermodelleringsbenadering voor celsimulaties
  9. Prozac in oceaanwater een mogelijke bedreiging voor het zeeleven, studie vondsten

Wetenschap