新突破!雷射冷卻納米機械振蕩器至零點能量

2020-12-03 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：新進展！據頂刊《PHYSICAL REVIEW LETTERS》報導：藝術家表演所用的光學機械矽納米束可以採用雷射進行冷卻。這一進展對量子技術的應用具有十分重要的意義。我們帶您一探究竟。

圖1 光學機械矽納米束可以採用雷射進行冷卻 來自IBM歐洲研究院

瑞士聯邦理工學院（洛桑）（簡寫為EPFL）的研究人和IBM歐洲研究中心的人員的聯合研究的最新的研究顯示，雷射可以對納米機械振蕩器冷卻至零點能量，即最小能量狀態的的狀態點。這一技術成功的發現，對量子技術的應用具有十分重要的意義，該項研究成果發表在著名的物理類頂刊《Physical Review Letters》上，論文題目為：Laser Cooling of a Nanomechanical Oscillator to Its Zero-Point Energy。

在很長的一段時間內，不同領域的科學家們研究發展了利用聲學特性的工具，如聲共振或機械振動。對於機械共振，在很長的一段時間內被用於加工過程或作用過程的信號，或者作為高精密測量儀器的收集信號的一個標誌。

在更加基礎的層面上，這個振動遵從量子力學的基本規律。在不久的將來，利用材料的聲學特性的未來黑科技將會是充分發揮量子力學特徵的優點而發展起來的技術，如充分利用在兩個機械振動或兩個振動態的疊加態的糾纏。

「這將是進入量子領域的開端，之所以這麼說，是因為這一技術是平行於現有的量子技術的技術，如不同於現有的量子計算機」。Itay Shomroni博士說到，他是該項目團隊的一員，「這些體積相對比較大的物體產生的量子效應的本質常常受到外部環境的影響。其中這些影響因數中最普遍的是熱噪音——由於有限溫度的隨機波動而產生的」

為了達到可能觀察量子力學效應的這一層面，研究人員首選將環境影響中的噪音這一因數給排除掉。這可以通過將機械振動進行冷卻直至到最低的能量狀態，這一最低的能量狀態點就是零點能量狀態，也叫 基態。

基於量子力學的本質特徵，振蕩器經常在其基態並不會被冷卻，而寧可說是，它包含著一個最小的能量狀態，就是所謂的零點能量。在過去的幾十年裡，不同的研究團隊經過多年的努力已經可以使用納米機械振蕩器或微米級別的機械振蕩器，可以將機械運動控制在接近基態，甚至接近零點狀態

「我們的辦法非常簡單，冷卻整個機械裝置直至極端的低溫狀態，在毫開的溫度範圍內，」「但這會增加實驗的複雜性並進而帶來其他的限制。我們也開始瞄準將我們的系統處於基態，操作溫度在幾K的溫度範圍內」。「

在他們的研究中，研究人員極力使用雷射冷卻一個納米機械振蕩器至零點能量狀態。顯而易見的，他們獲得了一個極端低的控制區域，即92%的部分為基態，從而推動整個系統在更深的層次進入量子的範疇。

「研究人員採用雷射冷卻機械振蕩器的運動，這一操作在第一眼看來是比較令人吃驚的事情」，「這一技術應用於我們的實驗是一件非常有名的技術。雷射會施加一種稱之為輻射壓力的物質狀態。這一輻射壓力可以用來進行對機械運動進行潮溼和冷卻，而且還是直接使用，只需要施加在運動物體的反方向即可。

在實驗中，機械振蕩器的振動發生在一個矽納米束上，長度為幾微米，界面為 220 nm x 530 nm。這一界面同時作為光學共振器（諧振腔）來作為研究人員傳輸雷射的媒介。這一系統中物體的震蕩和雷射的壓力都是相互依賴的，於是，他們以一定的方式相互作用，最終對系統進行冷卻。」

眾所周知，雷射會加熱物體使得物體的溫度升高，這是因為物體會吸收光的能量。為了儘可能的減少這一能量吸收效應，研究人員將振蕩器周圍包裹（包圍）著He氣體，利用He氣對吸收的能量進行快速的冷卻。

採用這一雷射冷卻技術，研究人員可以實現冷卻納米機械振蕩器至零點能量狀態。他們的實驗結果也表明該技術方法的有效性，該技術也有效的利用了雷射技術將機械振蕩器冷卻到目標狀態（零點狀態）。

研究人員同時利用振蕩器本身所自帶的無校準公制原位測量了系統中殘餘的熱能量，即，吸收和反射的能量比值。這一特定的公制方法同時也是振蕩器量子本質特徵的一個信號特徵。

這一雷射可以將振蕩器冷卻至基態的技術為我們創造了新 的應用可能，同時為發展新的量子技術和為將來的量子力學的研究提供了借鑑。例如，這技術的實現可以實現兩個相對體積比較大的物體同時位於在疊加態，這一狀態也叫薛丁格貓狀態。

而且，這一發展的技術為機械系統在接近零點狀態工作創造了可能。這一實現對量子計算的應用具有十分重要的意義。IBM的研究人員當前正在極力的發展可以有效的將量子信息從其超導的量子位轉換到光子狀態。

這一期間可以作為連結量子計算機基於超導的量子位轉換到光子狀態（利用光線傳輸），從而創造出量子網絡，進一步達到可以進行計算的功率範圍。直到今天，最成功的辦法是將微博-光纖傳輸在一個機械系統中最為媒介而實現。對於這一應用，其能夠實現機械系統在基態則變得非常有必要。

在隨後的工作中，瑞士聯邦理工學院（洛桑）和IBM的研究人員正打算利用這一技術：雷射冷卻機械系統到零點狀態來控制他們的運動以感興趣的方式來運動。例如，研究人員可以探討如何製造出奇異量子態的可能性。

圖2 聲子屏蔽的光機諧振器

a,矽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共振的歸一化電場，採用有限元模擬（FEM）的結果 . 下部: 有限元模擬的聲共振的歸一化位移場，其位移通過額外的局部變形（應變）來表示，這個變形通過顏色的區別顯示出來 . 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-場界面處的歸一化平方位移的幅度場，表明強的聲輻射抑制效應

圖3 雷射冷卻納米機械振蕩器至量子基態的實驗示意圖

圖解：單模、可調製的，波長為1550nm的半導體雷射用來進行冷卻和將機械轉換的雷射束輸送到納米束光機械振蕩器中的孔洞中，此處利用He氣體進行低溫製冷。採用一個測波儀器來追蹤和鎖定雷射頻率，並且使用一個可變的光衰減器來設定雷射的功率。傳輸的信號通過Er摻雜光纖放大器進行放大，探測的高速光子探測器實時連接到光譜分析儀上，在此處測量機械噪音的頻率功率譜。一個慢的調製探測信號用於光譜分析，雷射冷卻所用的光束通過放大的電光調製器來進行校準。

圖4 手性的超表面的光機系列

圖5 光機械晶體及其實驗 策略

圖6 觀察到的手性彈性效應

參考文獻：

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 NavarroUrrios 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

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