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深度解读

新突破!激光冷却纳米机械振荡器至零点能量

来源:江苏激光联盟2020-05-25 我要评论(0 )   

据顶刊《PHYSICAL REVIEW LETTERS》报道:艺术家表演所用的光学机械硅纳米束可以采用激光进行冷却。这一进展对量子技术的应用具有十分重要的意义。我们带您一探究竟。图...

据顶刊《PHYSICAL REVIEW LETTERS》报道:艺术家表演所用的光学机械硅纳米束可以采用激光进行冷却。这一进展对量子技术的应用具有十分重要的意义。我们带您一探究竟。

图1 光学机械硅纳米束可以采用激光进行冷却 来自IBM欧洲研究院


瑞士联邦理工学院(洛桑)(简写为EPFL)的研究人和IBM欧洲研究中心的人员的联合研究的最新的研究显示,激光可以对纳米机械振荡器冷却至零点能量,即最小能量状态的的状态点。这一技术成功的发现,对量子技术的应用具有十分重要的意义,该项研究成果发表在著名的物理类顶刊《Physical Review Letters》上,论文题目为:Laser Cooling of a Nanomechanical Oscillator to Its Zero-Point Energy。


在很长的一段时间内,不同领域的科学家们研究发展了利用声学特性的工具,如声共振或机械振动。对于机械共振,在很长的一段时间内被用于加工过程或作用过程的信号,或者作为高精密测量仪器的收集信号的一个标志。


在更加基础的层面上,这个振动遵从量子力学的基本规律。在不久的将来,利用材料的声学特性的未来黑科技将会是充分发挥量子力学特征的优点而发展起来的技术,如充分利用在两个机械振动或两个振动态的叠加态的纠缠。


“这将是进入量子领域的开端,之所以这么说,是因为这一技术是平行于现有的量子技术的技术,如不同于现有的量子计算机”。Itay Shomroni博士说到,他是该项目团队的一员,“这些体积相对比较大的物体产生的量子效应的本质常常受到外部环境的影响。其中这些影响因数中最普遍的是热噪音——由于有限温度的随机波动而产生的”为了达到可能观察量子力学效应的这一层面,研究人员首选将环境影响中的噪音这一因数给排除掉。这可以通过将机械振动进行冷却直至到最低的能量状态,这一最低的能量状态点就是零点能量状态,也叫 基态。


基于量子力学的本质特征,振荡器经常在其基态并不会被冷却,而宁可说是,它包含着一个最小的能量状态,就是所谓的零点能量。在过去的几十年里,不同的研究团队经过多年的努力已经可以使用纳米机械振荡器或微米级别的机械振荡器,可以将机械运动控制在接近基态,甚至接近零点状态

“我们的办法非常简单,冷却整个机械装置直至极端的低温状态,在毫开的温度范围内,”“但这会增加实验的复杂性并进而带来其他的限制。我们也开始瞄准将我们的系统处于基态,操作温度在几K的温度范围内”。“


在他们的研究中,研究人员极力使用激光冷却一个纳米机械振荡器至零点能量状态。显而易见的,他们获得了一个极端低的控制区域,即92%的部分为基态,从而推动整个系统在更深的层次进入量子的范畴。


“研究人员采用激光冷却机械振荡器的运动,这一操作在第一眼看来是比较令人吃惊的事情”,“这一技术应用于我们的实验是一件非常有名的技术。激光会施加一种称之为辐射压力的物质状态。这一辐射压力可以用来进行对机械运动进行潮湿和冷却,而且还是直接使用,只需要施加在运动物体的反方向即可。


在实验中,机械振荡器的振动发生在一个硅纳米束上,长度为几微米,界面为 220 nm x 530 nm。这一界面同时作为光学共振器(谐振腔)来作为研究人员传输激光的媒介。这一系统中物体的震荡和激光的压力都是相互依赖的,于是,他们以一定的方式相互作用,最终对系统进行冷却。”

众所周知,激光会加热物体使得物体的温度升高,这是因为物体会吸收光的能量。为了尽可能的减少这一能量吸收效应,研究人员将振荡器周围包裹(包围)着He气体,利用He气对吸收的能量进行快速的冷却。


采用这一激光冷却技术,研究人员可以实现冷却纳米机械振荡器至零点能量状态。他们的实验结果也表明该技术方法的有效性,该技术也有效的利用了激光技术将机械振荡器冷却到目标状态(零点状态)。


研究人员同时利用振荡器本身所自带的无校准公制原位测量了系统中残余的热能量,即,吸收和反射的能量比值。这一特定的公制方法同时也是振荡器量子本质特征的一个信号特征。


这一激光可以将振荡器冷却至基态的技术为我们创造了新 的应用可能,同时为发展新的量子技术和为将来的量子力学的研究提供了借鉴。例如,这技术的实现可以实现两个相对体积比较大的物体同时位于在叠加态,这一状态也叫薛定谔猫状态。


而且,这一发展的技术为机械系统在接近零点状态工作创造了可能。这一实现对量子计算的应用具有十分重要的意义。IBM的研究人员当前正在极力的发展可以有效的将量子信息从其超导的量子位转换到光子状态。


这一期间可以作为链接量子计算机基于超导的量子位转换到光子状态(利用光线传输),从而创造出量子网络,进一步达到可以进行计算的功率范围。直到今天,最成功的办法是将微博-光纤传输在一个机械系统中最为媒介而实现。对于这一应用,其能够实现机械系统在基态则变得非常有必要。


在随后的工作中,瑞士联邦理工学院(洛桑)和IBM的研究人员正打算利用这一技术:激光冷却机械系统到零点状态来控制他们的运动以感兴趣的方式来运动。例如,研究人员可以探讨如何制造出奇异量子态的可能性。


图2 声子屏蔽的光机谐振器

a,硅纳米束和外部外声子带隙屏蔽的扫描照片 . b, 纳米束中间空洞的放大SEM照片 . c, 上部: 纳米束孔洞局部局域光学共振的归一化电场,采用有限元模拟(FEM)的结果 . 下部: 有限元模拟的声共振的归一化位移场,其位移通过额外的局部变形(应变)来表示,这个变形通过颜色的区别显示出来 . d, 纳米束和局部声共振之间界面的SEM照片 . e, 局部声共振在纳米束-场界面处的归一化平方位移的幅度场,表明强的声辐射抑制效应。


图3 激光冷却纳米机械振荡器至量子基态的实验示意图

图解:单模、可调制的,波长为1550nm的半导体激光用来进行冷却和将机械转换的激光束输送到纳米束光机械振荡器中的孔洞中,此处利用He气体进行低温制冷。采用一个测波仪器来追踪和锁定激光频率,并且使用一个可变的光衰减器来设定激光的功率。传输的信号通过Er掺杂光纤放大器进行放大,探测的高速光子探测器实时连接到光谱分析仪上,在此处测量机械噪音的频率功率谱。一个慢的调制探测信号用于光谱分析,激光冷却所用的光束通过放大的电光调制器来进行校准。

图4 手性的超表面的光机系列

图5 光机械晶体及其实验 策略

图6 观察到的手性弹性效应

参考文献:

1.Chan, J., Alegre, T., Safavi-Naeini, A. et al. Laser cooling of a nanomechanical oscillator into its quantum ground state. Nature 478, 89–92 (2011). https://doi.org/10.1038/nature10461

2.Optomechanics of Chiral Dielectric metasurfaces

Simone Zanotto Alessandro Tredicucci Daniel Navarro‐Urrios Marco Cecchini Giorgio Biasiol Davide Mencarelli Luca Pierantoni Alessandro Pitanti

First published:18 December 2019 https://doi.org/10.1002/adom.201901507

文章来源:

Liu Qiu, Itay Shomroni, Paul Seidler, and Tobias J. Kippenberg, Laser Cooling of a Nanomechanical Oscillator to Its Zero-Point Energy, Physical Review Letters 124(2020).173601 – Published 29 April 2020. DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.173601


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激光冷却纳米机械振荡器激光技术

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