清華大學物理系在腔光力學系統中提出新的基態冷卻方法

2020-11-27 清華大學新聞網

清華大學物理系在腔光力學系統中提出新的基態冷卻方法

清華新聞網10月21日電 近日，清華大學物理系劉永椿副教授、鄭盟錕副教授、尤力教授研究團隊提出將機械振子冷卻到量子基態的新方法，能夠用於實現宏觀大質量振動物體的基態冷卻，研究成果以《腔內壓縮光力冷卻》(Intracavity squeezed optomechanical cooling)為題發表在《雷射與光子學評論》(Laser & Photonics Review)上。

近半個世紀以來，雷射冷卻技術的發展對原子物理學產生了革命性的影響。近年來，對包含大量原子的宏觀機械振子的雷射冷卻研究成為了非常重要的前沿課題，這方面的研究在量子信息處理、量子精密測量和基礎量子理論檢驗方面都有重要的應用。 

圖1.方案模型圖，利用腔內壓縮光力系統對機械振子進行基態冷卻

由於光與機械振子相互作用過程中存在量子反作用，傳統的邊帶冷卻方法受限於量子反作用極限，導致基態冷卻只能在邊帶可分辨條件下實現，即要求機械振動頻率大於光學腔的耗散速率。然而宏觀機械振子振動頻率通常較低，而且振子質量或尺寸越大其振動頻率越低，因此難於滿足邊帶可分辨條件，利用邊帶冷卻方法無法實現基態冷卻。

針對上述難題，研究團隊提出利用腔內壓縮的方法來實現振子的基態冷卻。利用具有腔內壓縮效應的光學腔，在腔內部產生壓縮態光場，利用量子幹涉效應，將所有通道的耗散引起的噪聲在腔內發生幹涉，從而消除量子反作用引起的加熱效應。通過壓縮泵浦光場與冷卻光場振幅和相位的匹配，由耗散導致的加熱效應安全被抑制，使得淨冷卻速率大大提高，且冷卻極限大幅降低，完全突破了量子反作用極限。

通過與邊帶冷卻方法(SB)和壓縮光碟機動冷卻方法(SD)進行比較，可看出研究團隊提出的腔內壓縮冷卻方法(IS)具有最低的冷卻極限，該冷卻極限完全不受光學腔耗散的影響，即使在邊帶遠不可分辨條件下, 仍然能夠實現基態冷卻。該研究為實現宏觀大質量機械振子的基態冷卻奠定了基礎。 

圖2. 三種方法的冷卻極限與光學腔耗散的關係

文章第一作者為清華大學物理系博士後甘晶輝，通訊作者為劉永椿副教授，合作者還包括北京理工大學物理學院的路翠翠研究員。該研究工作得到了基金委、科技部項目的資助。

《雷射與光子學評論》是國際上光學領域頂尖期刊之一，該期刊為月刊，每期只發表5-8篇論文，年發文量不到100篇，影響因子為9.056。

文章連結：

https://doi.org/10.1002/lpor.201900120

供稿：物理系

編輯：李華山

審核：呂   婷

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