Onderzoekers van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie Lausanne (EPFL) en IBM Research Europe hebben onlangs de laserkoeling van een nanomechanische oscillator aangetoond tot zijn nulpuntsenergie (d.w.z. het punt waarop het een minimale hoeveelheid energie bevat). Hun succesvolle demonstratie, te zien in Fysieke beoordelingsbrieven , zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën.

Voor een zeer lange tijd, onderzoekers die gespecialiseerd zijn in verschillende gebieden van wetenschap en technologie hebben instrumenten ontwikkeld die gebruikmaken van de akoestische eigenschappen van objecten, zoals akoestische resonanties of mechanische trillingen. Bijvoorbeeld, mechanische resonanties worden al lang gebruikt om signalen te verwerken of voor het verzamelen van zeer nauwkeurige metingen.

Op een meer fundamenteel niveau, deze resonanties volgen de wetten van de kwantummechanica. Toekomstige technologieën die gebruik maken van akoestische eigenschappen van materialen kunnen dus ook profiteren van hun kwantummechanische eigenschappen, zoals de verstrengeling tussen twee mechanische trillingen of de superpositie van twee trillingstoestanden.

"Deze toegang tot het kwantumregime loopt parallel met andere kwantumtechnologieën, zoals kwantumcomputers, "Dr. Itay Shomroni, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Het kwantumkarakter van deze relatief grote objecten wordt gemaskeerd door externe invloeden uit de omgeving, de meest alomtegenwoordige daarvan is thermische ruis-willekeurige fluctuaties als gevolg van een eindige temperatuur."

Om een ​​regime te bereiken waarin het mogelijk is om kwantummechanische effecten waar te nemen, onderzoekers moeten eerst het geluid van omgevingsinvloeden verwijderen. Dit kan worden bereikt door een mechanische oscillator af te koelen tot de laagst mogelijke energietoestand, bekend als grondtoestand.

Door de wetten van de kwantummechanica, een oscillator bevriest niet in zijn grondtoestand, maar liever, het bevat een minimale hoeveelheid energie, de zogenaamde 'nulpuntenergie'. verschillende onderzoeksgroepen zijn steeds dichter bij het brengen van mechanische beweging naar de grondtoestand en dus naar de nulpuntsenergie gekomen, met behulp van een verscheidenheid aan nano- en micromechanische oscillatoren.

"Een benadering is eenvoudigweg het hele apparaat af te koelen tot extreem lage temperaturen, in het milli-Kelvin-bereik, " zei Shomroni, "maar dit verhoogt de complexiteit van experimenten en introduceert andere beperkingen. We hebben ook gestreefd naar koeling in de grondtoestand in ons systeem dat op verschillende Kelvin werkt."

In hun studie hebben Liu Qiu, Shomroni, en hun collega's probeerden een nanomechanische oscillator af te koelen tot zijn nulpuntsenergie met behulp van laserkoelingstechnieken. Opmerkelijk, ze waren in staat om een ​​extreem lage bezetting te bereiken (d.w.z. 92% grondstaatbezetting), het systeem veel dieper in het kwantumregime duwen.

"We gebruiken laserlicht om de beweging van onze mechanische oscillator te koelen, wat op het eerste gezicht misschien verrassend lijkt, " legde Shomroni uit. "Dit is een bekende techniek die in andere experimenten werd gebruikt, ook. Licht oefent een kracht uit op materie die stralingsdruk wordt genoemd. Deze kracht kan worden gebruikt om mechanische beweging te dempen en af ​​te koelen, mits correct toegepast, tegen de snelheid van het object."

In het experiment, de mechanische trilling vindt plaats in een sectie van een silicium nanostraal die enkele microns lang is en 220 nm x 530 nm in dwarsdoorsnede. Dit gedeelte maakt ook deel uit van een optische holte waarin de onderzoekers laserstralen injecteerden. De trillingen en lichte druk in dit systeem zijn onderling afhankelijk, dus, ze verhouden zich op een manier die het systeem uiteindelijk afkoelt.

"Zoals we weten, licht kan ook voorwerpen opwarmen omdat het wordt geabsorbeerd, " zei Shomroni. "Om het effect van absorptie te minimaliseren, we omsingelden onze oscillator met een kleine hoeveelheid heliumgas, zodat overtollige warmte snel kan verdrijven."

Met behulp van hun op laserkoeling gebaseerde methode, Qiu, Shomroni en hun collega's waren in staat om een ​​nanomechanische oscillator zeer dicht bij zijn nulpuntsenergie te koelen. De resultaten die ze behaalden demonstreren de effectiviteit van benaderingen die gebruikmaken van de interactie van lasertechnologie met mechanische trillingen voor het koelen van mechanische objecten.

De onderzoekers hebben ook de resterende thermische energie in hun systeem in situ gemeten met behulp van een kalibratievrije metriek die door de oscillator zelf wordt aangeboden, namelijk, de verhouding van de absorptie- en emissiesnelheden. Van deze specifieke metriek is ook bekend dat het een kenmerk is van de kwantumaard van een oscillator.

Het vermogen om een ​​kwantumsysteem af te koelen tot zijn grondtoestand zou nieuwe mogelijkheden kunnen openen, zowel voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën als voor verder onderzoek in de kwantummechanica. Bijvoorbeeld, dit vermogen zou de creatie van een relatief groot mechanisch object mogelijk maken in een kwantumsuperpositietoestand die bekend staat als de Schrödinger-kattoestand.

Bovendien, de ontwikkeling van een methode die mechanische systemen dichter bij hun nulpuntsenergie kan brengen, kan belangrijke implicaties hebben voor quantum computing. Onderzoekers van IBM proberen momenteel apparaten te ontwikkelen die kwantuminformatie efficiënt kunnen omzetten, omzetten van supergeleidende qubits naar optische fotonen.

"Dergelijke apparaten zouden dienen als een middel om kwantumcomputers op basis van supergeleidende qubits te verbinden met glasvezelkabels om een ​​kwantumnetwerk te creëren en de rekenkracht verder te schalen, "Paul Seidler, een andere onderzoeker die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org "Tot op heden, de meest succesvolle benaderingen van microgolf-optische transductie gebruiken een mechanisch systeem als tussenpersoon. Voor deze toepassing, het vermogen om het mechanische systeem in zijn grondtoestand te initialiseren kan essentieel zijn."

Bij toekomstig werk, het EPFL-IBM-team is van plan zijn techniek te gebruiken voor het koelen van mechanische systemen tot hun nulpuntsenergie om hun beweging op nieuwe interessante manieren te regelen. Bijvoorbeeld, de onderzoekers willen het potentieel van hun methode onderzoeken voor het produceren van een verscheidenheid aan exotische kwantumtoestanden.

© 2020 Wetenschap X Netwerk