Сердцем нового соковыжималки является оптический резонатор размером с мрамор, расположенный в вакуумной камере и содержащий два зеркала, одно из которых меньше диаметра человеческого волоса. Зеркало большего размера стоит неподвижно, а другое – подвижное, подвешенное на пружинной консоли.
Форма и состав этого второго «наномеханического» зеркала являются ключом к способности системы работать при комнатной температуре. Когда лазерный луч попадает в резонатор, он отражается между двумя зеркалами.
Сила, создаваемая светом, заставляет наномеханическое зеркало раскачиваться вперед и назад таким образом, чтобы исследователи могли придать свету, выходящему из полости, особые квантовые свойства.
Лазерный свет может выходить из системы в сжатом состоянии, что можно использовать для более точных измерений, например, в квантовых вычислениях и криптологии, а также при обнаружении гравитационных волн.
«Важность результата состоит в том, что вы можете спроектировать эти механические системы так, чтобы при комнатной температуре они все еще могли иметь квантово-механические свойства», – говорит Нергис Мавалвала, профессор мрамора и доцент физики в Массачусетском технологическом институте. "Это полностью меняет правила игры с точки зрения возможности использовать эти системы не только в наших собственных лабораториях, размещенных в больших криогенных холодильниках, но и во всем мире."
Команда опубликовала свои результаты в журнале Nature Physics. Ведущим автором статьи является Нэнси Аггарвал, бывшая аспирантка лаборатории LIGO Массачусетского технологического института, ныне постдоктор Северо-Западного университета. Другими соавторами статьи, наряду с Мавалвалой, являются Роберт Ланца и Адам Либсон из Массачусетского технологического института; Торри Каллен, Джонатан Крайп и Томас Корбитт из Университета штата Луизиана; и Гаррет Коул, Дэвид Фоллман и Паула Хеу из компании Crystalline Mirror Solutions в Санта-Барбаре, Калифорния.
Холодная "остановка"
Лазер содержит множество фотонов, которые излучаются синхронизированными волнами, создавая яркий сфокусированный луч света.
Однако в этой упорядоченной конфигурации между отдельными фотонами лазера присутствует некоторая хаотичность в виде квантовых флуктуаций, также известных в физике как «дробовой шум»."
Например, количество фотонов в лазере, которые достигают детектора в любой момент времени, может колебаться около среднего числа квантовым способом, который трудно предсказать. Точно так же время, когда фотон достигает детектора, связанное с его фазой, также может колебаться около среднего значения.
Оба эти значения – количество и время прохождения лазерных фотонов – определяют, насколько точно исследователи могут интерпретировать лазерные измерения. Но в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, одним из основополагающих принципов квантовой механики, невозможно одновременно с абсолютной достоверностью измерить как положение (или время), так и импульс (или количество) частиц.
Ученые работают над этим физическим ограничением с помощью квантового сжатия – идеи о том, что неопределенность квантовых свойств лазера, в данном случае количества и времени прохождения фотонов, может быть представлена в виде теоретического круга. Совершенно круглый круг символизирует одинаковую неопределенность обоих свойств.
Эллипс – сжатый круг – представляет меньшую неопределенность для одного свойства и большую неопределенность для другого, в зависимости от того, как манипулируют круг и коэффициент неопределенности в квантовых свойствах лазера.
Один из способов, которым исследователи реализовали квантовое сжатие, – это оптомеханические системы, в которых детали, такие как зеркала, могут слегка перемещаться входящим лазерным светом. Зеркало может двигаться из-за силы, приложенной к нему фотонами, составляющими свет, и эта сила пропорциональна количеству фотонов, которые попадают в зеркало в данный момент. Расстояние, на которое зеркало переместилось в это время, связано с синхронизацией фотонов, прибывающих в зеркало.
Конечно, ученые не могут знать точных значений как количества, так и времени прохождения фотонов в данный момент времени, но с помощью такого рода системы они могут установить корреляцию между двумя квантовыми свойствами и тем самым уменьшить неопределенность и общий квант лазера. шум.
До сих пор оптомеханическое сжатие реализовывалось в крупных установках, которые необходимо размещать в криогенных морозильниках.
Это потому, что даже при комнатной температуре окружающей тепловой энергии достаточно, чтобы воздействовать на подвижные части системы, вызывая "дрожание", которое подавляет любой вклад квантового шума. Для защиты от теплового шума исследователям пришлось охладить системы примерно до 10 Кельвинов, или -440 градусов по Фаренгейту.
«В ту минуту, когда вам понадобится криогенное охлаждение, у вас не будет портативной компактной соковыжималки», – говорит Мавалвала. "Это может быть препятствием, потому что вы не можете иметь соковыжималку, которая живет в большом холодильнике, и затем использовать ее в эксперименте или в каком-либо устройстве, которое работает в полевых условиях."
Давая свет зажать
Команда, возглавляемая Аггарвалом, стремилась разработать оптомеханическую систему с подвижным зеркалом, сделанным из материалов, которые по своей сути поглощают очень мало тепловой энергии, так что им не нужно будет охлаждать систему извне. В конечном итоге они разработали очень маленькое зеркало шириной 70 микрон из чередующихся слоев арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия.
Оба материала представляют собой кристаллы с очень упорядоченной атомной структурой, которая предотвращает утечку поступающего тепла.
«Очень неупорядоченные материалы могут легко терять энергию, потому что есть много мест, где электроны могут ударяться, сталкиваться и вызывать тепловое движение», – говорит Аггарвал. "Чем более упорядоченный и чистый материал, тем меньше мест, где он может терять или рассеивать энергию."
Команда подвесила это многослойное зеркало с помощью небольшой консоли длиной 55 микрон.
Консоль и многослойное зеркало также имеют форму, позволяющую поглощать минимальную тепловую энергию. И подвижное зеркало, и консоль были изготовлены Коул и его коллегами из Crystalline Mirror Solutions и помещены в полость со стационарным зеркалом.
Затем система была установлена в лазерном эксперименте, построенном группой Корбитта в Университете штата Луизиана, где исследователи провели измерения.
С новым соковыжималкой исследователи смогли охарактеризовать квантовые флуктуации количества фотонов в зависимости от их времени, когда лазер отскакивал и отражался от обоих зеркал. Эта характеристика позволила команде идентифицировать и тем самым уменьшить квантовый шум от лазера на 15 процентов, производя более точный "сжатый" свет.
Аггарвал разработал для исследователей план адаптации системы к любой длине волны входящего лазерного света.
«По мере того, как оптико-механические соковыжималки становятся более практичными, именно с этой работы все началось», – говорит Мавалвала. "Это показывает, что мы знаем, как сделать эти соковыжималки без привязки к длине волны и комнатной температуре.
По мере улучшения эксперимента и материалов мы будем делать лучше соковыжималки."
Это исследование частично финансировалось U.S.
Национальный научный фонд.