Tim istraživača razvio je "squeezed phonon laser" koji organizuje vibracije levitirane nanopartikle u koherentne fononske modove uz istovremeno smanjenje termičkog šuma. Eksperiment koristi dva poprečna moda (~115 kHz i ~130 kHz) koja su povezana rotacijom trapujućeg potencijala, pri pritisku ~1 × 10−5 mbar i trapirajućem laseru 150 mW (1064 nm). Pokazan je prelaz iz termalnog u koherentan režim (g(2) ≈ 1.8 → 1) i značajan dvomodni squeezing do 15.8 ± 0.8 blizu praga. Autori ističu da je rezultat klasičan, ali obećava primene u preciznim merenjima i kao korak ka kvantnoj realizaciji.
Novi 'Squeezed Phonon Laser' Stvara Koherentne Fonone Uz Smanjen Termalni Šum
University of Rochester optics professor Nick Vamivakas and physics Ph.D. candidate Levi Neukich perform experiments with optically levitated nanodiamonds in Wilmott Hall June 14, 2013. The process allows researchers to test fundamental physics questions related to quantum mechanics as well as provide a tool to perform high sensitivity nanoscale force sensing. (CREDIT: J. Adam Fenster / University of Rochester)
U vakuumu lebdi sitna kuglica od silicijum-dioksida prečnika oko 100 nm koja titra pod dejstvom laserskog zračenja. Ti titraji nisu sporedni detalj — oni su srž novog tipa lasera koji ne emituje fotone, već kvante mehaničkog kretanja poznate kao fononi.
Šta su istraživači postigli?
Tim sa University of Rochester i Rochester Institute of Technology razvio je tzv. squeezed phonon laser — sistem koji kombinuje lasersku koherentnost sa smanjenim termičkim šumom u levitiranom nanosistemu. Rad je objavljen u Nature Communications i predstavlja pomak u kontroli mehaničkih modova na nanoskali.
Illustration of a nanoparticle optically levitated by a trapping laser beam (TB) inside a vacuum chamber (VC), with a probe beam (PB) measuring its position. (CREDIT: Nature Communications)
Kako funkcioniše eksperimenat
Nanopartikla je zarobljena jakim fokusiranim laserskim snopom (150 mW, 1064 nm) u komori izvučenoj na pritisak ~1 × 10−5 mbar, što značajno smanjuje sudare sa molekulima gasa. Zbog linearne polarizacije trapirajućeg snopa, optički potencijal nije potpuno simetričan — čestica zato poseduje dva poprečna vibraciona moda, u pravcima x i y, na približno 115 kHz i 130 kHz.
Istraživači su moduse povezali periodičnim rotiranjem trapujućeg potencijala. Kada frekvencija pogona odgovara sumi frekvencija oba moda, dolazi do parametarske nizvodne konverzije: jedno pogonsko polje istovremeno daje energiju u oba vibraciona moda i generiše korelisane fonone.
Two-mode phonon laser characterization. Evolution of the mean phonon number as a function of time. (CREDIT: Nature Communications)
Kontrola amplituda i stabilnost
Parametarski pogon sam po sebi može dovesti do nekontrolisanog rasta amplituda i gubitka čestice iz zamke. Da bi to sprečili, tim je primenio nelinearno parametarsko hlađenje koje balansira pogon i omogućava stabilnu oscilaciju. Kao rezultat se jasno uočava prelaz iz termalnog u koherentan režim.
Kako su utvrdili prelaz
- Srednji broj fonona je porastao i potom se stabilizovao.
- Distribucije u faznom prostoru promenile su se iz diskova u prstenaste oblike karakteristične za fazno-difuzna koherentna stanja.
- Normalizovana druga redna fononska autokorelaciona funkcija g(2) opala je sa ~1.8 prema ~1 (vrednost ≈2 ukazuje na termalno, približno 1 na koherentno ponašanje).
Squeezing i korelacije
Ključni napredak je ostvareni dvomodni termomehanički squeezing u levitiranoj nanopartikli. Kada su modusi bili povezani, njihove fluktuacije su postale korelisane: fluktuacija razlike amplituda se smanjila dok je fluktuacija sume porasla. Blizu praga ovaj efekat je bio najsnažniji — izmeren odnos squeezing-a je dosegao 15.8 ± 0.8 blizu praga, a opao je na 5.2 ± 0.6 iznad praga.
Two-mode squeezing in a levitated nanoparticle. The normalized variances of the two nanoparticle quadratures as a function of normalized modulation. (CREDIT: Nature Communications)
„Dok laser golim okom izgleda kao stabilan snop, u stvarnosti postoje fluktuacije koje stvaraju šum pri merenjima. Pravilnim upravljanjem fononima pomoću svetlosti možemo značajno smanjiti te fluktuacije.“ — Nick Vamivakas, University of Rochester
Ograničenja i potencijalne primene
Autori jasno naglašavaju da je trenutno rešenje klasično i da ovo nije demonstracija kvantnog preplitanja. Rezultat označavaju kao važan prvi korak ka mogućem kvantnom režimu. Ipak, uređaj je već relevantan za praktične primene koje zahtevaju niskosumnu mehaničku kontrolu: precizno merenje ubrzanja, detekcija sila i eksperimenti vezani za gravitaciju. Dugoročno, tehnike kontrole fonona mogle bi biti deo navigacionih sistema nezavisnih od satelita ili delova hibridnih kvantnih mreža.
Rad proširuje polje levitirane optomehanike i pruža stabilniju platformu za buduće pokušaje da se dostigne kvantni režim fonona. Nalazi su dostupni u Nature Communications.
Pomozite nam da budemo bolji.
