Ученым удалось охладить "микробарабан" ниже стандартного квантового предела

Ученые из Национального института стандартов и технологий США экспериментально доказали, что движение микроскопического объекта можно "заморозить" до состояния с энергией меньше стандартного предела. Для этого ученые использовали так называемое сжатое состояние света, в котором неопределенность (или "квантовый шум") для фазы электромагнитной волны искусственно "сжимают". Результаты исследований ученых были опубликованы в журнале Nature.

Стандартный квантовый предел накладывает ограничения на минимальные температуры, которые можно достичь с помощью обычных методов лазерного охлаждения. Невозможность одновременного задания точной амплитуды и фазы электромагнитной волне, с помощью которой осуществляется лазерное охлаждение, приводит к неконтролируемому поступлению случайной добавочной энергии к объекту. Таким образом, охладить объект до состояния с минимальной энергией (основного квантового состояния) становится невозможным.

Однако существуют частные случаи, в который стандартный квантовый предел не является фундаментальным ограничением. Одним из способов его обойти является использование для измерений так называемых сжатых состояний света. Именно ими и воспользовались авторы новой работы для охлаждения механического осциллятора – колеблющейся алюминиевой мембраны, которую еще называют оптомеханическим "барабаном".

Сначала ученые охладили алюминиевую пластинку до температуры в 37 милликельвин стандартными лазерными методами. При таких температурах движениям "барабана" можно поставить в соответствие некое колебательное состояние, которое заселено примерно 75 фононами (квазичастицы, кванты колебательного движения). Дальнейшее охлаждение проводили с помощью метода боковой полосы.

Основная проблема реализации метода боковой полосы состоит в том, что антистоксовым процессам всегда сопутствуют стоксовы. Однако это равновесие можно "сдвинуть", если правильно разместить объект в оптическом резонаторе, в котором обычно происходит охлаждение в таком эксперименте. Но даже в этом случае стоксовы процессы нельзя ограничить полностью из-за влияния квантовых флуктуаций электромагнитного вакуума.

Авторы новой работы нашли способ, как можно свести вероятность стоксовых процессов практически до нуля, используя так называемые сжатые состояния света. Используя такую методику, авторам новой работы удалось "охладить" систему с оптомеханическим "барабаном" вплоть до колебательного состояния, которое заселено около 0.19 фононами (квантовому пределу соответствует состояние около 0.34 фонона). Ученые считают, что их изобретение позволит в скором времени охлаждать некоторые объекты до беспрецедентно низких температур, что позволит изучать многие системы в их основном квантовом состоянии.

Ранее сообщалось о том, что ученые открыли новую субатомную частицу - пентакварк. Пентакварки были открыты в результате столкновений протонов при энергиях до 8 тераэлектронвольт. Масса пентакварка не превышает 4,5 гигаэлектронвольт. Ранее физики достоверно знали о существовании только адронов (частицы, которые состоят из кварков и участвуют в сильном взаимодействии) из двух кварков (мезоны) или трех (барионы).