W eksperymencie bazylejskim wiązka laserowa jest kierowana na membranę (kwadrat pośrodku). Za pomocą odbitego światła laserowego, opóźnionego przez (fioletowy) kabel światłowodowy, membrana jest następnie schładzana do temperatury poniżej tysiąca stopni powyżej zera absolutnego. Źródło: Uniwersytet w Bazylei, Wydział Fizyki
Naukowcy z Uniwersytetu w Bazylei opracowali nową technikę, która z powodzeniem schłodziła małą membranę do zbliżonych do niej temperatur zero absolutne używając wyłącznie światła laserowego. Takie wysoce kriogeniczne membrany mogłyby na przykład znaleźć zastosowanie w bardzo czułych czujnikach.
Wieki temu, dokładnie około 400 lat, słynny niemiecki astronom Johannes Kepler wpadł na pomysł żagli słonecznych. Wierzono, że te żagle mogą napędzać statki w całym wszechświecie. Kepler założył, że światło odbite od przedmiotu wytwarza siłę. Pomysł ten dostarczył również wyjaśnienia zjawiska ogona komety zawsze skierowanego w stronę przeciwną do Słońca.
W dzisiejszych czasach naukowcy wykorzystują moc światła m.in. do spowalniania i schładzania atomów i innych cząstek. Zwykle do tego potrzebne byłoby skomplikowane urządzenie. Zespołowi naukowców z Uniwersytetu w Bazylei kierowanego przez prof. dr Philippa Trotlina i prof. dr Patricka Pottsa udało się schłodzić cienką warstwę do temperatury bliskiej zera absolutnego minus 273,15 stopnia. Celsjusz używając jedynie światła laserowego. Niedawno opublikowali swoje odkrycia w czasopiśmie naukowym X fizyczny przegląd.
Niezmierzona informacja zwrotna
„To, co czyni naszą metodę wyjątkową, polega na tym, że osiągamy ten efekt chłodzenia bez wykonywania jakichkolwiek pomiarów” – mówi fizyk Marise Ernzer, PhD. Studentka i pierwsza autorka pracy naukowej. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej pomiar, jak to zwykle bywa w pętli sprzężenia zwrotnego, prowadzi do zmiany stanu kwantowego, a tym samym do zaburzeń. Aby tego uniknąć, naukowcy z Bazylei opracowali tak zwaną koherentną pętlę sprzężenia zwrotnego, w której światło laserowe działa zarówno jako czujnik, jak i tłumik. W ten sposób schłodzili i schłodzili wibracje termiczne membrany z azotanu krzemu o wielkości około pół milimetra.
W swoim eksperymencie naukowcy skierowali wiązkę laserową na membranę i skierowali światło odbite od membrany na kabel światłowodowy. W trakcie tego procesu wibracje membrany powodowały subtelne zmiany w fazie oscylacyjnej odbitego światła. Informacje o chwilowym stanie kinetycznym membrany w tej fazie oscylacji zostały następnie wykorzystane, z opóźnieniem czasowym, do przyłożenia odpowiedniej siły do membrany w odpowiednim momencie za pomocą tego samego światła laserowego.
„To trochę jak spowolnienie huśtawki przez krótkie dotknięcie stopą ziemi we właściwym momencie” – wyjaśnia Ernzer. Aby osiągnąć optymalne opóźnienie około 100 nanosekund, naukowcy wykorzystali 30-metrowy kabel światłowodowy.
blisko zera absolutnego
„Profesor Potts i jego współpracownicy opracowali teoretyczny opis nowej technologii i obliczyli ustawienia, przy których możemy spodziewać się osiągnięcia niższych temperatur; zostało to następnie potwierdzone eksperymentalnie”, mówi dr Manel Bosch Aguilera, który wniósł wkład w badania jako doktor habilitowany badacz. On i jego współpracownicy zdołali schłodzić membranę do 480 mikrokelwinów – mniej niż jedna tysięczna stopnia powyżej temperatury zera absolutnego.
W kolejnym kroku naukowcy chcą udoskonalić swój eksperyment tak, aby membrana osiągała najniższą możliwą temperaturę – czyli kwantowo-mechaniczny stan podstawowy oscylacji membrany. Następnie powinno być również możliwe tworzenie tak zwanych stanów ściśnięcia membrany. Przypadki te są szczególnie interesujące w przypadku czujników konstrukcyjnych, ponieważ pozwalają na większe skalowanie Dokładność. Możliwe zastosowania takich czujników obejmują mikroskopy sił atomowych, które służą do skanowania powierzchni z rozdzielczością nanometrową.
Odniesienie: „Optical Coherent Feedback Control of a Mechanical Oscillator” Marise Ehrenser, Manel Bosch-Aguilera, Matteo Brunelli, Gian-Luca Schmid, Thomas M. Karge, Christoph Broder, Patrick B. Potts i Philip Treutlin 15 maja 2023 r., Dostępny tutaj. X fizyczny przegląd.
DOI: 10.1103/PhysRevX.13.021023
