Сжатый свет впервые позволил охладить объект ниже квантового предела

25
ПОДЕЛИТЬСЯ

Сжатый свет впервые позволил охладить объект ниже квантового предела

Минимально возможную температуру во Вселенной не зря называют абсолютным нулём. При −273,15 градусах по Цельсию любое движение атомов прекращается, и они замирают на своих местах в кристаллической решётке. Но долгое время считалось, что на практике достигнуть самой низкой температуры невозможно из-за так называемого квантового предела. Дело в том, что в определённый момент инструменты для измерения сверхнизкой температуры начинают нагревать исследуемый объект и регистрация новых рекордов становится невозможной.

Команда физиков из Национального института стандартов и технологий США, работающая под руководством Джона Туфела (John Teufel) охлаждала крошечную алюминиевую мембрану диаметром 20 микрометров и толщиной 100 нанометров.

Главный секрет заключался в особой конструкции рамки из сверхпроводника, на который металлическая плёнка была натянута, как кожа на барабан. В итоге учёные измеряли не температуру алюминия, а микроволновые колебания, которые мембрана передавала на рамку.

«Чем больше вы охлаждаете мембрану, тем лучше для многих вариантов дальнейшего применения, – объясняет Туфел в пресс-релизе института. –Датчики станут более чувствительными, вы сможете хранить информацию дольше, а квантовые компьютеры смогут проводить вычисления без искажений».

Напомним, что микроволновое излучение представляет собой одну из форм невидимого для глаза света с большей длиной волны и меньшей частотой, чем привычный для нас оптический диапазон излучения. Естественные колебания мембраны взаимодействуют с микроволнами в полости «барабана», и те подстраиваются под естественную частоту резонатора точно так же, как звук удара ложки по хрустальному бокалу меняет тон в зависимости от того, сколько жидкости налито внутрь.

Обычно для значительного снижения температуры твёрдых тел используют метод лазерного охлаждения, который заключается в торможении тепловых колебаний атомов с помощью организованных фотонов лазерного луча. Но команда Туфела не стала ограничиваться стандартными методиками и впервые охлаждала мембрану с помощью так называемого сжатого света.

Сначала учёные действовали классическими методами: воздействовали на сверхпроводящую рамку микроволнами с частотой ниже, чем у резонансных колебаний в полости под плёнкой. Таким образом в сверхпроводнике был создан электрический заряд, который заставил барабан «звучать». В результате этих «ударов» мембрана генерировала фотоны («кванты света»), каждый из которых уносил с собой фонон («квант колебания»), и таким образом отправляли энергию её атомов в полость, тем самым охлаждая мембрану всё больше.

На втором этапе для понижения температуры ниже квантового предела команда использовала «сжатые» микроволны с минимальной однонаправленной амплитудой, у которых практически отсутствует шум и случайные колебания, которые могут нагреть плёнку.

«Шум даёт случайные удары или нагревает объект, который вы пытаетесь охладить, – объясняет Туфел. – Мы сжимаем свет до «волшебного» уровня, чтобы получать коррелирующие фотоны со стабильной интенсивностью».
В результате колебания мембраны, которые в начале эксперимента составляли около 10 миллионов «ударов» в секунду, постепенно снизились до значений близких к нулю.

На последнем этапе исследователи определили температуру мембраны, измеряя колебания рамки, и таким образом предотвратили нагревание металлического листа. В результате было зафиксировано рекордное значение менее одной пятой кванта. Ранее считалось, что один квант колебательных движений атома, представленный квазичастицей фононом, является минимально возможным движением и охладить что-либо ниже этого значения невозможно.

Однако в данном случае было получено значение порядка 360 микрокельвинов, то есть мембрана была в 10 тысяч раз холоднее вакуума космоса.
Такого рода «барабан» может использоваться в гибридных квантовых компьютерах будущего, сочетающих квантовые и механические элементы, пишут учёные.