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物體首次通過可見光冷卻至量子基態
材料來源:科技日報          

加州理工學院連同維也納大學組成的研究團隊,利用激光將納米機械共振器冷卻至基態,即能量最低狀態。這為研發高度敏感的探測器以及進行業界長期夢想的量子實驗鋪平了道路。相關研究報告發表在6日出版的《自然》雜志上。

雖然研究小組并非首個將納米機械物體冷卻至量子基態的團隊,但此項研究卻是首次成功嘗試利用可見光,將由數十億原子組成的固態納米機械系統冷卻至基態,使其遵從量子力學法則。過去,科學家只能通過囚禁單個原子或離子實現這一點。

主要研究人員、加州理工學院應用物理系教授奧斯卡·佩恩特表示,他們制成了納米規格的機械硅橫梁,令精心挑選頻率的激光能夠進入這一系統,并通過反射,帶走熱能,達到冷卻系統的效果。

此前達到基態的傳統冷卻方法雖然存在,但卻花費高昂,甚至在某些情況下是不可能實現的;而如何測量寒冷的機械系統也是一大難題。對此,研究團隊利用了不同的冷卻策略,他們借助光子場從系統向外釋放光子,解決了上述難題。

研究人員在機械橫梁上的精確位置鉆上了多個小孔,當激光投射在橫梁上,這些小孔就像鏡子一般,將光囚禁在洞內,使其與橫梁的機械振動產生強烈的互動。由于光的頻率的轉變與機械物體的熱運動直接相關,當光最終從小洞內逃離時,也會隨之帶走橫梁的振動和溫度,因此,研究人員創造出一個光學機械傳感器,可以將機械系統的信息轉化為光子。

更重要的是,這種光不像微波或電子,其能在千米長的距離內傳輸并且不衰減,這使光學機械傳感器能夠連接不同的量子系統,比如將微波系統和光學系統關聯起來,起到機械導管的作用。

為達到量子基態,即機械振動處于絕對極小值,研究團隊將橫梁冷卻至零下273.15攝氏度,這是因為橫梁的設計振動頻率為千兆赫(相當于每秒十億圈),在這個范圍內,大量聲子將在室溫下出現。聲子是振動的最基本單位,系統內所有的聲子都將在達到基態時消失。

當納米機械系統降至量子基態時,其能幫助探測出極小的力或質量,而這通常會被感應器的熱振動所掩蓋。佩恩特表示,他們所做的實驗是為開展真正有趣的量子機械試驗提供了一個出發點,例如科學家想要展示能夠實現量子疊加的機械系統,這種奇怪的量子態在物理系統內能夠一次存在于多個位置,但他們首先需要一個處于量子基態的系統來開始上述實驗。

理想上,為了簡化機械系統的設計,科學家未來將嘗試在室溫下進行相關量子實驗。利用激光冷卻技術,佩恩特等人可在僅低于室溫10倍的環境下進行試驗,而通常情況下,這需要在低于室溫1萬倍的情況下才能實現。


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