Вчені використовують лазери для охолодження невеликої мембрани

Дослідники з Базельського університету розробили нову техніку, яка успішно охолодила невелику мембрану до температур, близьких до абсолютного нуля, використовуючи лише лазерне світло. Такі надзвичайно охолоджені мембрани можуть, наприклад, знайти застосування у високочутливих датчиках.

Століття тому, а точніше близько 400 років, відомий німецький астроном Йоганнес Кеплер уявив поняття сонячних вітрил. Він вірив, що ці вітрила можуть рухати кораблі в космосі. Кеплер припустив, що світло, відбиваючись від об’єкта, створює силу. Ця ідея також запропонувала пояснення явища, коли хвости комет завжди спрямовані вбік від сонця.

Сьогодні вчені використовують силу світла, серед іншого, щоб уповільнювати та охолоджувати атоми та інші частинки. Як правило, для цього потрібен складний апарат. Групі дослідників з Базельського університету на чолі з професором, доктором Філіпом Тройтлайном і професором, доктором Патріком Поттсом вдалося охолодити тонку, як пластина, мембрану до температури, близької до абсолютного нуля – мінус 273,15 градусів Цельсія, не використовуючи нічого . але лазерне світло. Вони нещодавно опублікували свої результати в науковому журналі  Physical Review X.

Зворотній зв’язок без вимірювання

«Особливість нашого методу полягає в тому, що ми досягаємо ефекту охолодження без будь-яких вимірювань», — каже фізик Маріз Ернзер, доктор філософії. студент і перший автор наукової роботи. Відповідно до законів квантової механіки вимірювання, яке зазвичай вимагається в контурі зворотного зв’язку, призводить до зміни квантового стану і, отже, до збурень. Щоб уникнути цього, вчені Базеля розробили так звану когерентну петлю зворотного зв’язку, в якій лазерне світло діє як датчик і як демпфер. Таким чином вони гасили та охолоджували теплові коливання мембрани з нітрату кремнію розміром близько півміліметра.

У своєму експерименті дослідники направили лазерний промінь на мембрану та подали світло, відбите мембраною, у волоконно-оптичний кабель. У цьому процесі вібрації мембрани викликали невеликі зміни у фазі коливань відбитого світла. Інформація про миттєвий стан руху мембрани, що міститься в цій фазі коливань, потім використовувалася із затримкою в часі, щоб застосувати потрібну кількість сили до мембрани в потрібний момент тим самим лазерним світлом.

«Це схоже на уповільнення гойдалок шляхом короткочасного торкання ступнями землі в потрібний момент», — пояснює Ернцер. Щоб досягти оптимальної затримки приблизно в 100 наносекунд, дослідники використовували 30-метровий оптоволоконний кабель.

Близько до абсолютного нуля

«Професор Поттс і його співробітники розробили теоретичний опис нової техніки і розрахували параметри, за яких ми могли очікувати досягнення найнижчих температур; це потім було підтверджено експериментом», – каже доктор Манель Бош Агілера, який брав участь у дослідженні як постдоктор. Йому та його колегам вдалося охолодити мембрану до 480 мікроКельвінів — менше ніж на тисячну частку градуса вище абсолютного нуля.

На наступному кроці дослідники хочуть вдосконалити свій експеримент до того, щоб мембрана досягла найнижчої можливої ​​температури – квантово-механічного основного стану коливань мембрани, тобто. Після цього також повинна бути можливість створювати так звані стиснуті стани мембрани. Такі стани особливо цікаві для створення датчиків, оскільки вони дозволяють досягти вищої точності вимірювань. Можливе застосування таких датчиків включає атомно-силові мікроскопи, які використовуються для сканування поверхонь з нанометровою роздільною здатністю. Джерело