Prvi korak do makroskopskog kvantnog učinka

Istraživači proizvode jaku povezanost fotona i mehaničkih predmeta

Malo okruglo ogledalo na "mostu" © IQOQI
čitati naglas

Kvantni svijet ima svoje zakone koji djeluju samo u carstvu najmanjih čestica. Ali sada su istraživači napravili prvi korak prema postizanju kvantnih učinaka čak i na makroskopskim komponentama vidljivim golim okom. Prvi put su proizveli makroskopsku interakciju svjetla i mikromehanike i o tome izvijestili u posljednjem broju časopisa Nature.

Kvantna fizika puna je paradoksa koji su u suprotnosti s našim svakodnevnim iskustvom. No vrijede li kvantni zakoni i za "svakodnevne" predmete koji se mogu vidjeti golim okom? Ovo pitanje je već zaokupljalo fizičare poput Erwina Schrödingera od početka kvantne teorije. Suvremena nano- i mikrotehnologija joj približava moguće eksperimente. Već nekoliko godina, svijet se intenzivno uključuje u kvantne eksperimente s mehaničkim

istraženi ljuljajući predmeti. Takvi mehanički oscilatori mogu se kretati od nekoliko tisućica milimetra do nekoliko centimetara, što ih čini daleko najvećim objektima na kojima je kvantna teorija ikada testirana.

Dva uvjeta - oba neispunjena

Da bi se to postiglo, pokušava se svojstva elementarnog kvantnog sustava, na primjer jednog elektrona, atoma ili fotona, prenijeti na makroskopski mehanički objekt. Međutim, ovo djeluje samo ako su ispunjena dva uvjeta: mehanički oscilator mora biti ohlađen na gotovo apsolutnu nulu (-273, 15 ° C), a sila između mehaničkog oscilatora i elektrona, atoma ili fotona mora biti dovoljno jaka suprotstavljati se prirodnom propadanju kvantnih svojstava, takozvanoj dekoherenciji. Međutim, niti jedan uvjet još nije ispunjen.

Po prvi put su istraživači Markusa Aspelmeyera s Instituta za kvantnu optiku i kvantnu informaciju (IQOQI) Austrijske akademije znanosti (ÖAW) uspjeli ispuniti drugi uvjet i stvoriti "snažnu povezanost" između mehaničkog objekta i fotona, što je važno za kvantne efekte. prikaz

Eksperimentirajte s makroskopski vidljivim komponentama

U eksperimentu znanstvenici oko Aspelmeyera koriste mehanički most koji je već vidljiv golim okom širine 50 mikrona i duljine 150 mikrona. Uz pomoć malog zrcala promjera 50 mikrona, koje je montirano na mostu, reflektiraju se fotoni koji mogu utjecati na mehanički most.

"Koristili smo taj pritisak zračenja još 2006. godine kako bismo po prvi puta pokazali princip mehaničkog laserskog hlađenja", objašnjava Aspelmeyer. Za stvaranje željenog jakog spoja, pribjegavamo metodi utvrđenoj u kvantnoj optici, optičkom rezonatoru: Budući da sila jednog fotona nije dovoljno jaka, svjetlost će početi sijati Ponovo se vraća uz pomoć drugog zrcala i na taj način doprinosi nekoliko puta prijenosu sile, prije nego što se dogodi zbog nesavršenog zrcaljenja jednog od dva ogledala

bježi.

Spojeno kretanje svjetla i mehanike

Ako je svjetlost preslaba, možda će vam trebati previše vremena da se svjetlost prebaci sa svjetla na mehaniku. U ovom slučaju dominira dekoncentracija i svjetlosno polje oscilira između zrcala bitno neovisno o kretanju mehaničkih mostova. Za snažno lasersko zračenje, to se drastično mijenja: Prijenos snage iz svjetlosti na mehaniku odvija se brže nego što fotoni mogu ponovo napustiti zrcalni rezonator i dolazi do povezanog kretanja svjetlosti s mehanikom,

Prvo optomehaničko klatno

Ova situacija je analogna dvama klatnima, na primjer, dva djedovska sata koja su povezana bilo mekom gumenom trakom ili jakom oprugom, objašnjava Markus Aspelmeyer. U prvom slučaju dva klatna osciliraju nepomično jedni od drugih, a u drugom slučaju zbog snažnog spajanja dvaju sustava dolazi do potpuno novog, karakterističnog uzorka oscilacija.

Eksperiment austrijskih istraživača prvi je koji stvara i promatra ovaj efekt između masivnog mikromehaničkog klatna i optičkog svjetlosnog polja. Do sada je to bilo moguće samo s nekoliko atoma ili sitnim kvantnim sustavima točaka. Posebno je zanimljivo za kasnije kvantne eksperimente da tako proizvedena oscilacija nije čisto optička niti čisto mehanička, već predstavlja istinsko optomehaničko uzbuđenje. U energetskom spektru svjetlosti koji izlazi iz optičkog rezonatora jasno smo pronašli vibracijske uzorke snažno spojenog opptomehaničkog klatna, kaže Aspelmeyer.

Sljedeći korak: Spajanje s hlađenjem

Nakon ovog važnog koraka, istraživači se sada nadaju da će moći primijeniti dodatne kvantne efekte u mehaničkim objektima pomoću dodatnog hlađenja, poput onog s već uspješno korištenim laserskim hlađenjem: The n Krajnji cilj je ovo snažno spajanje s hlađenjem mehanike

", kaže Simon Gr blacher, prvi autor studije Nature i doktorski studij u Aspelmeyerovom istraživačkom timu. "S ovim eksperimentom na pragu, u laboratoriju smo mogli provjeriti koliko su zakoni kvantne fizike važni u našem makro svijetu."

(Institut za kvantnu optiku i kvantne informacije (IQOQI), 06.08.2009. - NPO)