Приближение к абсолютному нулю: ученые используют лазеры для охлаждения небольшой мембраны

В эксперименте, проведенном в Базеле, лазерный луч направляется на мембрану (квадрат в центре). С помощью отраженного лазерного света, задержанного оптоволоконным кабелем (фиолетовый цвет), мембрана охлаждается до температуры менее тысячной доли градуса выше абсолютного нуля. Credit: University of Basel, Department of Physics

Исследователи из Базельского университета разработали новую методику, позволяющую успешно охладить небольшую мембрану до температуры, близкой к абсолютному нулю, используя только лазерное излучение. Такие экстремально охлажденные мембраны могут найти применение, например, в высокочувствительных датчиках.

Несколько столетий назад, а точнее около 400 лет назад, известный немецкий астроном Иоганн Кеплер выдвинул идею о солнечных парусах. Он считал, что эти паруса могут двигать корабли по космосу. Кеплер предположил, что свет, отражаясь от объекта, создает силу. Эта идея также позволила объяснить феномен кометных хвостов, всегда направленных в сторону от Солнца.

В настоящее время ученые используют силу света, в частности, для замедления и охлаждения атомов и других частиц. Как правило, для этого требуется сложная аппаратура. Группе исследователей из Базельского университета под руководством профессора д-ра Филиппа Тройтлейна и профессора д-ра Патрика Поттса удалось охладить тонкую мембрану до температуры, близкой к абсолютному нулю — минус 273,15 градусов Цельсия, используя только лазерное излучение. Недавно они опубликовали свои результаты в научном журнале Physical Review X.

Обратная связь без измерений

«Особенность нашего метода заключается в том, что мы добиваемся эффекта охлаждения, не проводя никаких измерений», — говорит физик Мэрис Эрнзер, аспирант и первый автор научной статьи. По законам квантовой механики измерение, как это обычно требуется в контуре обратной связи, приводит к изменению квантового состояния и, следовательно, к возмущениям. Чтобы избежать этого, базельские ученые разработали так называемый когерентный контур обратной связи, в котором лазерное излучение выступает одновременно и как датчик, и как демпфер. Таким образом, они гасят и охлаждают тепловые колебания мембраны из нитрата кремния размером около полумиллиметра.

В ходе эксперимента исследователи направляли на мембрану лазерный луч и подавали отраженный от нее свет в волоконно-оптический кабель. При этом колебания мембраны вызывали небольшие изменения фазы колебаний отраженного света. Содержащаяся в этой фазе колебаний информация о мгновенном двигательном состоянии мембраны затем использовалась с временной задержкой для того, чтобы в нужный момент приложить к мембране нужную силу с помощью того же лазерного излучения.

«Это похоже на замедление качелей путем кратковременного касания ногами земли в нужный момент», — поясняет Эрнцер. Для достижения оптимальной задержки порядка 100 наносекунд исследователи использовали волоконно-оптический кабель длиной 30 м.

Близко к абсолютному нулю

«Профессор Поттс и его коллеги разработали теоретическое описание новой методики и рассчитали параметры, при которых можно ожидать достижения самых низких температур; затем это было подтверждено экспериментом», — говорит д-р Манель Бош Агилера, участвовавший в исследовании в качестве постдока. Ему и его коллегам удалось охладить мембрану до 480 микрокельвинов — менее чем на тысячную долю градуса выше абсолютного нуля.

На следующем этапе исследователи хотят довести свой эксперимент до того, чтобы мембрана достигла минимально возможной температуры — квантовомеханического основного состояния колебаний мембраны. После этого можно будет также создавать так называемые сжатые состояния мембраны. Такие состояния особенно интересны для создания сенсоров, поскольку позволяют повысить точность измерений. Возможные области применения таких датчиков — атомно-силовые микроскопы, которые используются для сканирования поверхностей с нанометровым разрешением.

Ссылка: «Optical Coherent Feedback Control of a Mechanical Oscillator» Maryse Ernzer, Manel Bosch Aguilera, Matteo Brunelli, Gian-Luca Schmid, Thomas M. Karg, Christoph Bruder, Patrick P. Potts and Philipp Treutlein, 15 May 2023, Physical Review X . DOI: 10.1103/PhysRevX.13.021023