Een team van wetenschappers van het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht onder leiding van dr. Birgit Stiller is erin geslaagd lopende geluidsgolven in golfgeleiders aanzienlijk verder af te koelen dan voorheen mogelijk was met behulp van laserlicht. Deze prestatie vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van het uiteindelijke doel:het bereiken van de kwantumgrondtoestand van geluid in golfgeleiders.

Ongewenst geluid gegenereerd door de akoestische golven bij kamertemperatuur kan worden geëlimineerd. Deze experimentele benadering biedt zowel een dieper inzicht in de overgang van klassieke naar kwantumfenomenen van geluid als relevant voor kwantumcommunicatiesystemen en toekomstige kwantumtechnologieën.

De kwantumgrondtoestand van een akoestische golf met een bepaalde frequentie kan worden bereikt door het systeem volledig af te koelen. Op deze manier kan het aantal kwantumdeeltjes, de zogenaamde akoestische fononen, die verstoring van kwantummetingen veroorzaken, tot vrijwel nul worden teruggebracht en kan de kloof tussen klassieke en kwantummechanica worden overbrugd.

De afgelopen tien jaar zijn er grote technologische vorderingen gemaakt, waardoor het mogelijk is verschillende systemen in deze staat te brengen. Mechanische trillingen die tussen twee spiegels in een resonator oscilleren, kunnen worden afgekoeld tot zeer lage temperaturen, tot aan de kwantumgrondtoestand. Voor optische vezels waarin hoogfrequente geluidsgolven zich kunnen voortplanten is dit nog niet mogelijk. Nu zijn onderzoekers van de Stiller Research Group een stap dichter bij dit doel gekomen.

In hun onderzoek, onlangs gepubliceerd in Physical Review Letters melden ze dat ze met behulp van laserkoeling de temperatuur van een geluidsgolf in een optische vezel aanvankelijk bij kamertemperatuur met 219 K konden verlagen, tien keer verder dan eerder was gerapporteerd. Uiteindelijk werd het initiële fonongetal met 75% verlaagd bij een temperatuur van 74 K, -199 Celsius.

Een dergelijke drastische temperatuurverlaging werd mogelijk gemaakt door laserlicht te gebruiken. Het afkoelen van de zich voortplantende geluidsgolven werd bereikt via het niet-lineaire optische effect van gestimuleerde Brillouin-verstrooiing, waarbij lichtgolven efficiënt worden gekoppeld aan geluidsgolven.

Door dit effect koelt het laserlicht de akoestische trillingen af ​​en creëert het een omgeving met minder thermische ruis, wat tot op zekere hoogte 'storende' ruis is voor bijvoorbeeld een kwantumcommunicatiesysteem. ‘Een interessant voordeel van glasvezels, naast deze sterke interactie, is het feit dat ze licht en geluid uitstekend kunnen geleiden over lange afstanden’, zegt Laura Blázquez Martínez, een van de hoofdauteurs van het artikel en promovendus in de Stiller onderzoeksgroep.

De meeste fysieke platforms die eerder naar de kwantumgrondtoestand werden gebracht, waren microscopisch klein. In dit experiment was de lengte van de optische vezel echter 50 cm en werd een geluidsgolf die zich over de volledige 50 cm van de kern van de vezel uitstrekte afgekoeld tot extreem lage temperaturen.

"Deze resultaten zijn een zeer opwindende stap in de richting van de kwantumgrondtoestand in golfgeleiders, en de manipulatie van zulke lange akoestische fononen opent mogelijkheden voor breedbandtoepassingen in de kwantumtechnologie", aldus Dr. Birgit Stiller, hoofd van de kwantumopto-akoestiekgroep. /P>

Geluid kan in de dagelijkse klassieke wereld worden opgevat als een dichtheidsgolf in een medium. Vanuit het perspectief van de kwantummechanica kan geluid echter ook omschreven worden als een deeltje:het fonon. Dit deeltje, het geluidskwantum, vertegenwoordigt de kleinste hoeveelheid energie die als akoestische golf bij een bepaalde frequentie voorkomt. Om één enkele geluidskwanta te kunnen zien en bestuderen, moet het aantal fononen tot een minimum worden beperkt.

De overgang van het klassieke naar het kwantumgedrag van geluid wordt vaak gemakkelijker waargenomen in de kwantumgrondtoestand, waar het aantal fononen gemiddeld bijna nul is, zodat de trillingen bijna bevroren zijn en kwantumeffecten gemeten kunnen worden.

P>

Stiller zegt:"Dit opent de deur naar een nieuw landschap van experimenten waarmee we dieper inzicht kunnen krijgen in de fundamentele aard van materie." Het voordeel van het gebruik van een golfgeleidersysteem is dat licht en geluid niet tussen twee spiegels worden gebonden, maar zich langs de golfgeleider voortplanten. De akoestische golven bestaan ​​als een continuüm – niet alleen voor specifieke frequenties – en kunnen een brede bandbreedte hebben, waardoor ze veelbelovend zijn voor toepassingen zoals hogesnelheidscommunicatiesystemen.

“We zijn erg enthousiast over de nieuwe inzichten die het duwen van deze vezels in de kwantumgrondtoestand zal opleveren”, benadrukt de onderzoeksgroepleider. "Niet alleen vanuit het oogpunt van fundamenteel onderzoek, waardoor we een kijkje kunnen nemen in de kwantumaard van uitgebreide objecten, maar ook vanwege de toepassingen die dit zou kunnen hebben in kwantumcommunicatieschema's en toekomstige kwantumtechnologieën."

Meer informatie: Laura Blázquez Martínez et al, Opto-akoestische koeling van reizende hypergeluidsgolven, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.023603

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht