Osiągnięcie skoku jakościowego w temperaturze pokojowej

W świecie mechaniki kwantowej możliwość obserwacji i kontrolowania zjawisk kwantowych w temperaturze pokojowej od dawna jest nieuchwytna, szczególnie w dużej lub „mikroskopowej” skali. Tradycyjnie takie obserwacje ograniczały się do środowisk bliskich zera absolutnego, gdzie efekty kwantowe są łatwiejsze do wykrycia. Jednak zapotrzebowanie na ekstremalne zimno stanowi główną przeszkodę ograniczającą praktyczne zastosowania technologii kwantowych.

Obecnie badanie przeprowadzone przez Tobiasa J. Kippenberga i Nielsa Johana Engelsena z EPFL na nowo definiuje granice tego, co możliwe. Pionierskie prace łączą fizykę kwantową i inżynierię mechaniczną, aby uzyskać kontrolę nad zjawiskami kwantowymi w temperaturze pokojowej.

„Dostęp do kwantowych systemów fotomechanicznych działających w temperaturze pokojowej od dziesięcioleci stanowi otwarte wyzwanie” – mówi Kippenberg. „Nasza praca skutecznie potwierdza mikroskop Heisenberga – od dawna uważany za model jedynie teoretyczny-zabawkę”.

W ramach układu eksperymentalnego, opublikowanego w czasopiśmie Nature, badacze stworzyli system optomechaniczny o bardzo niskim poziomie szumów – układ, w którym światło i ruch mechaniczny są ze sobą powiązane, co pozwala im z dużą precyzją badać i manipulować wpływem światła na poruszające się obiekty.

Głównym problemem w temperaturze pokojowej jest szum termiczny, który zniekształca precyzyjną dynamikę kwantową. Aby to zminimalizować, naukowcy wykorzystali lustra wnękowe, czyli wyspecjalizowane zwierciadła odbijające światło tam i z powrotem w ograniczonej przestrzeni (wnęce), skutecznie „łapiąc” je i wzmacniając jego interakcję z elementami mechanicznymi układu. Aby zredukować szum termiczny, lustra zaprojektowano z okresowymi strukturami przypominającymi kryształy („kryształ akustyczny”).

Kolejnym krytycznym elementem było 4-milimetrowe urządzenie przypominające cylinder, zwane oscylatorem mechanicznym, które wchodziło w interakcję ze światłem wewnątrz wnęki. Jego stosunkowo duże rozmiary i konstrukcja są kluczem do izolacji od hałasu otoczenia, umożliwiając wykrywanie subtelnych zjawisk kwantowych w temperaturze pokojowej. „Cylinder, którego używamy w tym eksperymencie, jest zwieńczeniem wielu lat wysiłków mających na celu stworzenie oscylatorów mechanicznych dobrze odizolowanych od otoczenia” – mówi Engelsen.

„Techniki, których użyliśmy do radzenia sobie z notorycznymi i złożonymi źródłami hałasu, mają ogromne znaczenie i wpływ na szerszą społeczność zajmujących się precyzyjnymi czujnikami i pomiarami” – mówi Guanhao Huang, jeden z dwóch doktorantów kierujących projektem.

Taka konfiguracja umożliwiła naukowcom osiągnięcie „kompresji optycznej”, zjawiska kwantowego, w którym pewnymi właściwościami światła, takimi jak jego intensywność lub faza, manipuluje się w celu zmniejszenia wahań jednej zmiennej kosztem zwiększania wahań drugiej, zgodnie z Teoria Heisenberga. zasada.

Wykazując ciśnienie optyczne w temperaturze pokojowej w swoim układzie, naukowcy wykazali, że mogą skutecznie kontrolować i obserwować zjawiska kwantowe w układzie mikroskopowym bez konieczności stosowania ekstremalnie niskich temperatur. najwyższa forma

Zespół wierzy, że możliwość obsługi systemu w temperaturze pokojowej poszerzy dostęp do układów mechaniki kwantowo-optycznej, które służą jako stanowiska testowe do pomiarów kwantowych i mechaniki kwantowej w skalach makroskopowych.

Alberto Beccari, inny doktorant kierujący badaniami, dodaje: „Opracowany przez nas system może ułatwić tworzenie nowych hybrydowych układów kwantowych, w których mechaniczny cylinder silnie oddziałuje z różnymi obiektami, takimi jak chmury uwięzionych atomów”. „Systemy te są przydatne w zakresie informacji kwantowej, pomagając nam zrozumieć, jak powstają duże i złożone stany kwantowe”.