Группе исследователей из Базельского университета удалось охладить небольшую мембрану до температуры, близкой к абсолютному нулю, с помощью лазерного излучения, используя новую технику. Такие чрезвычайно охлаждаемые мембраны могли бы, например, найти применение в высокочувствительных датчиках.
Еще 400 лет назад немецкий астроном Иоганн Кеплер выдвинул идею солнечных парусов, с помощью которых корабли могли бы плыть по Вселенной. Он подозревал, что свет проявляет силу при отражении от объекта. Эта концепция также позволила ему объяснить, почему хвосты комет направлены в сторону от Солнца.
В настоящее время ученые используют силу света, среди прочего, для замедления и охлаждения атомов и других частиц. Как правило, для этого требуется сложный аппарат. Группе исследователей из Базельского университета под руководством профессора доктора Филиппа Трейтлейна и профессора доктора Патрика Поттса удалось охладить тончайшую мембрану до температуры, близкой к абсолютному нулю минус 273,15 градуса Цельсия, не используя ничего. но лазерный свет.
Обратная связь без измерения
«Что делает наш метод особенным, так это то, что мы достигаем этого охлаждающего эффекта без проведения каких-либо измерений», — сказала физик Мариз Эрнцер , аспирант и первый автор исследовательской работы. Согласно законам квантовой механики измерение, как обычно требуется в петле обратной связи, приводит к изменению квантового состояния и, следовательно, к возмущениям. Чтобы избежать этого, ученые из Базеля разработали так называемую когерентную петлю обратной связи, в которой лазерный свет действует как датчик и как демпфер. Таким образом они гасили и охлаждали тепловые колебания мембраны из нитрата кремния размером около полумиллиметра.
В своем эксперименте исследователи направили лазерный луч на мембрану и подали свет, отраженный мембраной, в оптоволоконный кабель. При этом колебания мембраны вызывали небольшие изменения фазы колебаний отраженного света. Информация о мгновенном состоянии движения мембраны, содержащаяся в этой фазе колебаний, затем использовалась с временной задержкой для приложения к мембране нужного количества силы в нужный момент с помощью того же лазерного излучения. « Это немного похоже на замедление качания путем кратковременного касания земли ногой в нужное время », — объяснил Эрнцер. Для достижения оптимальной задержки около 100 наносекунд исследователи использовали оптоволоконный кабель длиной 30 метров.
Близко к абсолютному нулю
«Профессор Поттс и его сотрудники разработали теоретическое описание новой техники и рассчитали настройки, при которых мы могли бы ожидать достижения самых низких температур; затем это было подтверждено экспериментом», — сказал д-р Манель Бош Агилера, участвовавший в исследовании. Он и его коллеги смогли охладить мембрану до 480 микрокельвинов — менее одной тысячной градуса выше абсолютного нуля температуры.
На следующем этапе исследователи хотят улучшить свой эксперимент до такой степени, чтобы мембрана достигла минимально возможной температуры — то есть квантово-механического основного состояния колебаний мембраны. После этого также должна быть возможность создания так называемых сжатых состояний мембраны. Такие состояния особенно интересны для построения сенсоров, так как позволяют повысить точность измерений. Возможные области применения таких датчиков включают атомно-силовые микроскопы, которые используются для сканирования поверхностей с нанометровым разрешением.