據(jù)頂刊《PHYSICAL REVIEW LETTERS》報(bào)道：藝術(shù)家表演所用的光學(xué)機(jī)械硅納米束可以采用激光進(jìn)行冷卻。這一進(jìn)展對(duì)量子技術(shù)的應(yīng)用具有十分重要的意義。我們帶您一探究竟。

圖1 光學(xué)機(jī)械硅納米束可以采用激光進(jìn)行冷卻 來(lái)自IBM歐洲研究院

瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（洛桑）（簡(jiǎn)寫(xiě)為EPFL）的研究人和IBM歐洲研究中心的人員的聯(lián)合研究的最新的研究顯示，激光可以對(duì)納米機(jī)械振蕩器冷卻至零點(diǎn)能量，即最小能量狀態(tài)的的狀態(tài)點(diǎn)。這一技術(shù)成功的發(fā)現(xiàn)，對(duì)量子技術(shù)的應(yīng)用具有十分重要的意義，該項(xiàng)研究成果發(fā)表在著名的物理類(lèi)頂刊《Physical Review Letters》上，論文題目為：Laser Cooling of a Nanomechanical Oscillator to Its Zero-Point Energy。

在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，不同領(lǐng)域的科學(xué)家們研究發(fā)展了利用聲學(xué)特性的工具，如聲共振或機(jī)械振動(dòng)。對(duì)于機(jī)械共振，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)被用于加工過(guò)程或作用過(guò)程的信號(hào)，或者作為高精密測(cè)量?jī)x器的收集信號(hào)的一個(gè)標(biāo)志。

在更加基礎(chǔ)的層面上，這個(gè)振動(dòng)遵從量子力學(xué)的基本規(guī)律。在不久的將來(lái)，利用材料的聲學(xué)特性的未來(lái)黑科技將會(huì)是充分發(fā)揮量子力學(xué)特征的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，如充分利用在兩個(gè)機(jī)械振動(dòng)或兩個(gè)振動(dòng)態(tài)的疊加態(tài)的糾纏。

“這將是進(jìn)入量子領(lǐng)域的開(kāi)端，之所以這么說(shuō)，是因?yàn)檫@一技術(shù)是平行于現(xiàn)有的量子技術(shù)的技術(shù)，如不同于現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)”。Itay Shomroni博士說(shuō)到，他是該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的一員，“這些體積相對(duì)比較大的物體產(chǎn)生的量子效應(yīng)的本質(zhì)常常受到外部環(huán)境的影響。其中這些影響因數(shù)中最普遍的是熱噪音——由于有限溫度的隨機(jī)波動(dòng)而產(chǎn)生的”為了達(dá)到可能觀察量子力學(xué)效應(yīng)的這一層面，研究人員首選將環(huán)境影響中的噪音這一因數(shù)給排除掉。這可以通過(guò)將機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行冷卻直至到最低的能量狀態(tài)，這一最低的能量狀態(tài)點(diǎn)就是零點(diǎn)能量狀態(tài)，也叫 基態(tài)。

基于量子力學(xué)的本質(zhì)特征，振蕩器經(jīng)常在其基態(tài)并不會(huì)被冷卻，而寧可說(shuō)是，它包含著一個(gè)最小的能量狀態(tài)，就是所謂的零點(diǎn)能量。在過(guò)去的幾十年里，不同的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的努力已經(jīng)可以使用納米機(jī)械振蕩器或微米級(jí)別的機(jī)械振蕩器，可以將機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制在接近基態(tài)，甚至接近零點(diǎn)狀態(tài)

“我們的辦法非常簡(jiǎn)單，冷卻整個(gè)機(jī)械裝置直至極端的低溫狀態(tài)，在毫開(kāi)的溫度范圍內(nèi)，”“但這會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性并進(jìn)而帶來(lái)其他的限制。我們也開(kāi)始瞄準(zhǔn)將我們的系統(tǒng)處于基態(tài)，操作溫度在幾K的溫度范圍內(nèi)”。“

在他們的研究中，研究人員極力使用激光冷卻一個(gè)納米機(jī)械振蕩器至零點(diǎn)能量狀態(tài)。顯而易見(jiàn)的，他們獲得了一個(gè)極端低的控制區(qū)域，即92%的部分為基態(tài)，從而推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)在更深的層次進(jìn)入量子的范疇。

“研究人員采用激光冷卻機(jī)械振蕩器的運(yùn)動(dòng)，這一操作在第一眼看來(lái)是比較令人吃驚的事情”，“這一技術(shù)應(yīng)用于我們的實(shí)驗(yàn)是一件非常有名的技術(shù)。激光會(huì)施加一種稱(chēng)之為輻射壓力的物質(zhì)狀態(tài)。這一輻射壓力可以用來(lái)進(jìn)行對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行潮濕和冷卻，而且還是直接使用，只需要施加在運(yùn)動(dòng)物體的反方向即可。

在實(shí)驗(yàn)中，機(jī)械振蕩器的振動(dòng)發(fā)生在一個(gè)硅納米束上，長(zhǎng)度為幾微米，界面為 220 nm x 530 nm。這一界面同時(shí)作為光學(xué)共振器（諧振腔）來(lái)作為研究人員傳輸激光的媒介。這一系統(tǒng)中物體的震蕩和激光的壓力都是相互依賴(lài)的，于是，他們以一定的方式相互作用，最終對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。”

眾所周知，激光會(huì)加熱物體使得物體的溫度升高，這是因?yàn)槲矬w會(huì)吸收光的能量。為了盡可能的減少這一能量吸收效應(yīng)，研究人員將振蕩器周?chē)ò鼑┲鳫e氣體，利用He氣對(duì)吸收的能量進(jìn)行快速的冷卻。

采用這一激光冷卻技術(shù)，研究人員可以實(shí)現(xiàn)冷卻納米機(jī)械振蕩器至零點(diǎn)能量狀態(tài)。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明該技術(shù)方法的有效性，該技術(shù)也有效的利用了激光技術(shù)將機(jī)械振蕩器冷卻到目標(biāo)狀態(tài)（零點(diǎn)狀態(tài)）。

研究人員同時(shí)利用振蕩器本身所自帶的無(wú)校準(zhǔn)公制原位測(cè)量了系統(tǒng)中殘余的熱能量，即，吸收和反射的能量比值。這一特定的公制方法同時(shí)也是振蕩器量子本質(zhì)特征的一個(gè)信號(hào)特征。

這一激光可以將振蕩器冷卻至基態(tài)的技術(shù)為我們創(chuàng)造了新 的應(yīng)用可能，同時(shí)為發(fā)展新的量子技術(shù)和為將來(lái)的量子力學(xué)的研究提供了借鑒。例如，這技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)體積比較大的物體同時(shí)位于在疊加態(tài)，這一狀態(tài)也叫薛定諤貓狀態(tài)。

而且，這一發(fā)展的技術(shù)為機(jī)械系統(tǒng)在接近零點(diǎn)狀態(tài)工作創(chuàng)造了可能。這一實(shí)現(xiàn)對(duì)量子計(jì)算的應(yīng)用具有十分重要的意義。IBM的研究人員當(dāng)前正在極力的發(fā)展可以有效的將量子信息從其超導(dǎo)的量子位轉(zhuǎn)換到光子狀態(tài)。

這一期間可以作為鏈接量子計(jì)算機(jī)基于超導(dǎo)的量子位轉(zhuǎn)換到光子狀態(tài)（利用光線(xiàn)傳輸），從而創(chuàng)造出量子網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步達(dá)到可以進(jìn)行計(jì)算的功率范圍。直到今天，最成功的辦法是將微博-光纖傳輸在一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中最為媒介而實(shí)現(xiàn)。對(duì)于這一應(yīng)用，其能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)在基態(tài)則變得非常有必要。

在隨后的工作中，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（洛桑）和IBM的研究人員正打算利用這一技術(shù)：激光冷卻機(jī)械系統(tǒng)到零點(diǎn)狀態(tài)來(lái)控制他們的運(yùn)動(dòng)以感興趣的方式來(lái)運(yùn)動(dòng)。例如，研究人員可以探討如何制造出奇異量子態(tài)的可能性。

圖2 聲子屏蔽的光機(jī)諧振器

a,硅納米束和外部外聲子帶隙屏蔽的掃描照片 . b, 納米束中間空洞的放大SEM照片 . c, 上部: 納米束孔洞局部局域光學(xué)共振的歸一化電場(chǎng)，采用有限元模擬（FEM）的結(jié)果 . 下部: 有限元模擬的聲共振的歸一化位移場(chǎng)，其位移通過(guò)額外的局部變形（應(yīng)變）來(lái)表示，這個(gè)變形通過(guò)顏色的區(qū)別顯示出來(lái) . d, 納米束和局部聲共振之間界面的SEM照片 . e, 局部聲共振在納米束-場(chǎng)界面處的歸一化平方位移的幅度場(chǎng)，表明強(qiáng)的聲輻射抑制效應(yīng)。

圖3 激光冷卻納米機(jī)械振蕩器至量子基態(tài)的實(shí)驗(yàn)示意圖

圖解：?jiǎn)文！⒖烧{(diào)制的，波長(zhǎng)為1550nm的半導(dǎo)體激光用來(lái)進(jìn)行冷卻和將機(jī)械轉(zhuǎn)換的激光束輸送到納米束光機(jī)械振蕩器中的孔洞中，此處利用He氣體進(jìn)行低溫制冷。采用一個(gè)測(cè)波儀器來(lái)追蹤和鎖定激光頻率，并且使用一個(gè)可變的光衰減器來(lái)設(shè)定激光的功率。傳輸?shù)男盘?hào)通過(guò)Er摻雜光纖放大器進(jìn)行放大，探測(cè)的高速光子探測(cè)器實(shí)時(shí)連接到光譜分析儀上，在此處測(cè)量機(jī)械噪音的頻率功率譜。一個(gè)慢的調(diào)制探測(cè)信號(hào)用于光譜分析，激光冷卻所用的光束通過(guò)放大的電光調(diào)制器來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖4 手性的超表面的光機(jī)系列

圖5 光機(jī)械晶體及其實(shí)驗(yàn) 策略

圖6 觀察到的手性彈性效應(yīng)

參考文獻(xiàn)：

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

文章來(lái)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