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激光冷却
物体首次通过可见光冷却至量子基态
材料来源:科技日报           录入时间:2011-10-21 10:18:42

加州理工学院连同维也纳大学组成的研究团队,利用激光将纳米机械共振器冷却至基态,即能量最低状态。这为研发高度敏感的探测器以及进行业界长期梦想的量子实验铺平了道路。相关研究报告发表在6日出版的《自然》杂志上。

虽然研究小组并非首个将纳米机械物体冷却至量子基态的团队,但此项研究却是首次成功尝试利用可见光,将由数十亿原子组成的固态纳米机械系统冷却至基态,使其遵从量子力学法则。过去,科学家只能通过囚禁单个原子或离子实现这一点。

主要研究人员、加州理工学院应用物理系教授奥斯卡·佩恩特表示,他们制成了纳米规格的机械硅横梁,令精心挑选频率的激光能够进入这一系统,并通过反射,带走热能,达到冷却系统的效果。

此前达到基态的传统冷却方法虽然存在,但却花费高昂,甚至在某些情况下是不可能实现的;而如何测量寒冷的机械系统也是一大难题。对此,研究团队利用了不同的冷却策略,他们借助光子场从系统向外释放光子,解决了上述难题。

研究人员在机械横梁上的精确位置钻上了多个小孔,当激光投射在横梁上,这些小孔就像镜子一般,将光囚禁在洞内,使其与横梁的机械振动产生强烈的互动。由于光的频率的转变与机械物体的热运动直接相关,当光最终从小洞内逃离时,也会随之带走横梁的振动和温度,因此,研究人员创造出一个光学机械传感器,可以将机械系统的信息转化为光子。

更重要的是,这种光不像微波或电子,其能在千米长的距离内传输并且不衰减,这使光学机械传感器能够连接不同的量子系统,比如将微波系统和光学系统关联起来,起到机械导管的作用。

为达到量子基态,即机械振动处于绝对极小值,研究团队将横梁冷却至零下273.15摄氏度,这是因为横梁的设计振动频率为千兆赫(相当于每秒十亿圈),在这个范围内,大量声子将在室温下出现。声子是振动的最基本单位,系统内所有的声子都将在达到基态时消失。

当纳米机械系统降至量子基态时,其能帮助探测出极小的力或质量,而这通常会被感应器的热振动所掩盖。佩恩特表示,他们所做的实验是为开展真正有趣的量子机械试验提供了一个出发点,例如科学家想要展示能够实现量子叠加的机械系统,这种奇怪的量子态在物理系统内能够一次存在于多个位置,但他们首先需要一个处于量子基态的系统来开始上述实验。

理想上,为了简化机械系统的设计,科学家未来将尝试在室温下进行相关量子实验。利用激光冷却技术,佩恩特等人可在仅低于室温10倍的环境下进行试验,而通常情况下,这需要在低于室温1万倍的情况下才能实现。


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