infos.ro

Sistemul portabil mărește precizia laserului, la temperatura camerei | Știri MIT

Jennifer Chu | MIT News Office,news.mit.edu

Fizicienii de la MIT au proiectat un „stors de lumină” cuantic care reduce zgomotul cuantic dintr-un fascicul laser care intră cu 15%. Este primul sistem de acest gen care funcționează la temperatura camerei, făcându-l adaptat la o configurație compactă, portabilă, care poate fi adăugată experimentelor de înaltă precizie pentru a îmbunătăți măsurătorile cu laser în care zgomotul cuantic este un factor limitator.

Inima noului storcător este o cavitate optică de mărimea unei marmură, găzduită într-o cameră de vid și care conține două oglinzi, dintre care una este mai mică decât diametrul unui păr uman. Oglinda mai mare stă staționară, în timp ce cealaltă este mobilă, suspendată de o consolă ca un arc.

Forma și machiajul acestei a doua oglinzi „nanomecanice” este cheia capacității sistemului de a funcționa la temperatura camerei. Când un fascicul laser intră în cavitate, acesta sare între cele două oglinzi. Forța transmisă de lumină face ca oglinda nanomecanică să se balanseze înainte și înapoi într-un mod care permite cercetătorilor să conceapă ca lumina care iese din cavitate să aibă proprietăți cuantice speciale.

Lumina laser poate ieși din sistem într-o stare comprimată, care poate fi folosită pentru a face măsurători mai precise, de exemplu, în calculul cuantic și criptologie și în detectarea undelor gravitaționale.

„Importanța rezultatului este că puteți proiecta aceste sisteme mecanice astfel încât, la temperatura camerei, să poată avea în continuare proprietăți mecanice cuantice”, spune Nergis Mavalvala, profesor de marmură și șef asociat de fizică la MIT. „Asta schimbă complet jocul în ceea ce privește capacitatea de a utiliza aceste sisteme, nu doar în propriile noastre laboratoare, găzduite în frigidere criogenice mari, ci și în lume.”

Echipa și-a publicat rezultatele astăzi în jurnal Fizica naturii. Autorul principal al lucrării este Nancy Aggarwal, o fostă studentă absolventă la fizică la Laboratorul MIT LIGO, acum postdoc la Universitatea Northwestern. Alți co-autori ai lucrării împreună cu Mavalvala sunt Robert Lanza și Adam Libson de la MIT; Torrey Cullen, Jonathan Cripe și Thomas Corbitt de la Universitatea de Stat din Louisiana; și Garrett Cole, David Follman și Paula Heu de la Crystalline Mirror Solutions din Santa Barbara, California.

Un „showstopper” rece

Un laser conține o mulțime de fotoni care se difuzează în unde sincronizate pentru a produce un fascicul de lumină strălucitor și concentrat. În cadrul acestei configurații ordonate, totuși, există un pic de aleatorie între fotonii individuali ai unui laser, sub formă de fluctuații cuantice, cunoscute și în fizică ca „zgomot de împușcare”.

De exemplu, numărul de fotoni dintr-un laser care ajung la un detector la un moment dat poate fluctua în jurul unui număr mediu, într-un mod cuantic care este greu de prezis. La fel, ora la care un foton ajunge la un detector, legat de faza acestuia, poate fluctua, de asemenea, în jurul unei valori medii.

Ambele valori – numărul și momentul fotonilor unui laser – determină cât de precis pot interpreta cercetătorii măsurătorile laser. Dar, conform principiului incertitudinii Heisenberg, una dintre principiile fundamentale ale mecanicii cuantice, este imposibil să se măsoare simultan atât poziția (sau sincronizarea) cât și impulsul (sau numărul) particulelor în același timp cu o certitudine absolută.

Oamenii de știință lucrează în jurul acestei constrângeri fizice prin stoarcere cuantică – ideea că incertitudinea proprietăților cuantice ale unui laser, în acest caz numărul și sincronizarea fotonilor, poate fi reprezentată ca un cerc teoretic. Un cerc perfect rotund simbolizează o incertitudine egală în ambele proprietăți. O elipsă – un cerc stors – reprezintă o incertitudine mai mică pentru o proprietate și o incertitudine mai mare pentru cealaltă, în funcție de modul în care este manipulat cercul și raportul de incertitudine în proprietățile cuantice ale unui laser.

O modalitate prin care cercetătorii au realizat stoarcerea cuantică este prin intermediul sistemelor optomecanice, proiectate cu părți, cum ar fi oglinzile, care pot fi mutate într-o mică măsură de lumina laser care intră. O oglindă se poate mișca datorită forței aplicate asupra ei de fotonii care alcătuiesc lumina, iar acea forță este proporțională cu numărul de fotoni care lovesc oglinda la un moment dat. Distanța deplasată de oglinda în acel moment este legată de sincronizarea fotonilor care ajung la oglindă.

Desigur, oamenii de știință nu pot cunoaște valorile precise atât pentru numărul, cât și pentru sincronizarea fotonilor la un moment dat, dar prin acest tip de sistem pot stabili o corelație între cele două proprietăți cuantice și, prin urmare, pot reduce incertitudinea și cuantumul general al laserului. zgomot.

Până acum, stoarcerea optomecanică a fost realizată în configurații mari care trebuie să fie găzduite în congelatoare criogenice. Asta pentru că, chiar și la temperatura camerei, energia termică din jur este suficientă pentru a avea un efect asupra părților mobile ale sistemului, provocând un „jitter” care copleșește orice contribuție a zgomotului cuantic. Pentru a se proteja împotriva zgomotului termic, cercetătorii au trebuit să răcească sistemele la aproximativ 10 Kelvin, sau -440 de grade Fahrenheit.

„În momentul în care ai nevoie de răcire criogenică, nu poți avea un storcător portabil, compact”, spune Mavalvala. „Acesta poate fi un spectacol, pentru că nu poți avea un storcător care locuiește într-un frigider mare și apoi să îl folosești într-un experiment sau într-un dispozitiv care funcționează pe teren.”

Dă o apăsare luminii

Echipa, condusă de Aggarwal, a căutat să proiecteze un sistem optomecanic cu o oglindă mobilă realizată din materiale care absorb intrinsec foarte puțină energie termică, astfel încât să nu fie nevoie să răcească sistemul extern. În cele din urmă, au proiectat o oglindă foarte mică, cu lățimea de 70 de microni, din straturi alternative de arseniură de galiu și arseniură de galiu de aluminiu. Ambele materiale sunt cristale cu o structură atomică foarte ordonată, care împiedică scăparea oricărei călduri primite.

„Materialele foarte dezordonate pot pierde cu ușurință energie, deoarece există o mulțime de locuri în care electronii pot lovi și se pot ciocni și pot genera mișcare termică”, spune Aggarwal. „Cu cât un material este mai ordonat și mai pur, cu atât are mai puține locuri pentru a pierde sau a disipa energie.”

Echipa a suspendat această oglindă multistrat cu un cantilever mic, lung de 55 de microni. Consolul și oglinda multistrat au fost, de asemenea, modelate pentru a absorbi energie termică minimă. Atât oglinda mobilă, cât și cantileverul au fost fabricate de Cole și colegii săi de la Crystalline Mirror Solutions, recent achiziționată și acum parte a Thorlabs Inc., și plasate într-o cavitate cu o oglindă staționară.

Sistemul a fost apoi instalat într-un experiment cu laser construit de grupul lui Corbitt de la Universitatea de Stat din Louisiana, unde cercetătorii au făcut măsurătorile. Cu noul squeezer, cercetătorii au reușit să caracterizeze fluctuațiile cuantice ale numărului de fotoni în raport cu sincronizarea lor, pe măsură ce laserul a sărit și s-a reflectat în ambele oglinzi. Această caracterizare a permis echipei să identifice și, prin urmare, să reducă zgomotul cuantic de la laser cu 15%, producând o lumină „storsă” mai precisă.

Aggarwal a elaborat un plan pentru ca cercetătorii să adopte sistemul la orice lungime de undă a luminii laser care intră.

„Pe măsură ce storcătoarele optomecanice devin mai practice, aceasta este munca care a început”, spune Mavalvala. „Demonstrează că știm cum să facem aceste storcatoare independente de lungimea de undă la temperatura camerei. Pe măsură ce îmbunătățim experimentul și materialele, vom face storcătoare mai bune.”

Această cercetare a fost finanțată, parțial, de Fundația Națională pentru Știință din SUA.

Sursa articol

You might also like