Физики из Калифорнийского технологического института и Венского университета экспериментально доказали, что лазерное охлаждение позволяет перевести механический осциллятор в основное квантовое состояние.

Простейший — классический — механический осциллятор часто представляют в виде системы из пружины и соединённого с ней груза, в которой груз совершает колебания около положения равновесия по синусоидальному закону с чётко определённой амплитудой. Подобную систему можно использовать, к примеру, для обнаружения слабых сил или малых масс.

У квантового осциллятора выделяется основное состояние с некоторой неопределённостью амплитуды, соответствующей нулевым колебаниям. Поскольку «почувствовать» квантовую природу механического осциллятора в обычных тепловых условиях просто невозможно, учёным, впервые наблюдавшим основное квантовое состояние микроразмерного резонатора, пришлось экспериментировать при 25 мК.

В наше время задача снижения температуры до такого уровня решается относительно легко.

Рис. 1. Кремниевый механический резонатор, участвовавший в новых экспериментах (иллюстрация из журнала Nature).

Американо-австрийская группа упростила методику, обратившись к лазерному охлаждению. Для опытов была изготовлена кремниевая структура с оптическим резонансом на частоте в 195 ТГц (длине волны в 1 537 нм) и механическим резонансом на 3,68 ГГц, на которую подавалось излучение перестраиваемого 1 550-нанометрового диодного лазера.

«С помощью фотонов мы, так сказать, извлекали фононы из экспериментальной системы», — комментирует руководитель работ Джаспер Чань (Jasper Chan).

Сама кремниевая структура, отметим, находилась в обычном гелиевом криостате: лазерное охлаждение было реализовано при элементарно достижимой температуре окружающей среды в 20 К.

Полная версия отчёта опубликована в статье

Jasper Chan, T. P. Mayer Alegre, Amir H. Safavi-Naeini, Jeff T. Hill, Alex Krause, Simon Gröblacher, Markus Aspelmeyer & Oskar Painter Laser cooling of a nanomechanical oscillator into its quantum ground state. – Nature. – 478. – P. 89–92; (06 October 2011) doi:10.1038/nature10461.