Коллаборация LIGO сообщила, что им удалось охладить 40-килограммовые зеркала интерферометра до температуры 77 нанокельвин с помощью гашения в них механических колебаний через систему обратной связи. Авторы описали свои результаты с помощью эффективного объекта массой 10 килограмм, в котором было возбуждено всего около 11 фононов. Такое состояние массивных зеркал поможет увеличить точность экспериментов по поиску гравитационных волн. Такое состояние соответствует температуре 77 нанокельвин.

Исследование опубликовано в Science.

Развитие квантовой механики изменило наше понимание того, что значит состояние покоя. Так, физики обнаружили, что в микромире колебания объектов никогда не останавливаются, сколько бы энергии от них не отводилось. Этот феномен известен под названием нулевых колебаний, а его природа связана с принципом неопределенности Гейзенберга.

Для объектов, сравнимых по размеру с человеком, такие квантовые эффекты незаметны из-за их большой массы. В обычных условиях все массивные тела участвуют в колоссальном количестве колебательных движений, которые часто описываются с помощью фононов – квантов колебательного движения. Вместе с тем растущая в последние годы точность физического эксперимента все чаще сталкивается с проблемой шумов, вызванных фононами.

Одним из таких экспериментов стало обнаружение гравитационных волн коллаборацией LIGO, где фононы «шумят» в 40-килограммовых зеркалах интерферометра, подвешенных в вакууме. В этом случае крайне желательно научиться переводить массивные объекты в состояние с наименьшим числом фононов (в пределе – в основное квантовое состояние), по сути, охлаждая их.

Теперь физики и инженеры коллаборации LIGO добились охлаждения системы зеркал до температуры 77 нанокельвин с помощью системы обратной связи. В ее основе лежит идея о том, что колебания подвешенных зеркал из-за их большой массы происходят с достаточно низкими частотами, и если с хорошей точностью измерять их скорость и положение, то можно успевать воздействовать на них с силой, противоположной их движению, то есть гасить. Авторы реализовали эту идею с помощью того же интерферометра, что позволил им детектировать гравитационные волны по тончайшему отклонению зеркал.

Схема интерферометра Майкельсона вместе с системой обратной связи, регистрирующей отклонение зеркал и силу воздействия на них. Врез демонстрирует систему подвеса зеркал и их размер по сравнению с ростом человека. / C. Whittle et al / Science, 2021

Физики разместили параллельно зеркалам золотые электроды, чтобы воздействовать на них электростатически. Управление напряжением на этих электродах производилось с помощью системы обратной связи, которая считывала положение и скорость зеркал по свойствам проходящего по интерферометру излучения. Стоить отметить также, что авторы рассматривали все зеркала в системе их центра масс, что позволило заменить их одним объектом с эффективной массой десять килограмм.

Чтобы регулировать гашение колебаний, физики меняли параметры обратной связи и изучали отклик системы. Для предельно возможного режима работы они добились состояния, при котором в объекте возбуждено в среднем 11 фононов. Это соответствует температуре 77 нанокельвин при том, что чистому состоянию, в котором нет фононов, приписывают температуру 10 нанокельвин. Таким образом, полученные результаты можно считать рекордом чистоты квантового состояния для массивных объектов.

Спектр смещения объекта для различных параметров гашения. Врез показывает среднее число фононов для каждого из параметров, пунктирной линией обозначена модельная зависимость, серым цветом показаны погрешности. / C. Whittle et al / Science, 2021

Авторы провели также моделирование описанных процессов. Его результаты продемонстрировали согласие с опытными данными за исключением небольшого отклонения в области некоторых частот, которые физики связали с влиянием части волокна, на которых подвешены зеркала. Особое внимание было уделено учету и борьбе с погрешностями, среди которых было влияние квантового обратного действия и неточности в системе обратной связи.

Ученые отмечают, что проведенная ими работа открывает дорогу к исследованию массивных объектов в чистых квантовых состояниях. В частности, состояния с нулевым числом фононов будут полезны для улучшения точности гравитационной интерферометрии, а также для исследования вопроса гравитационной декогеренции в больших телах.