據(jù)頂刊《PHYSICAL REVIEW LETTERS》報道：藝術(shù)家表演所用的光學(xué)機械硅納米束可以采用激光進行冷卻。這一進展對量子技術(shù)的應(yīng)用具有十分重要的意義。我們帶您一探究竟。

圖1 光學(xué)機械硅納米束可以采用激光進行冷卻 來自IBM歐洲研究院

瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（洛桑）（簡寫為EPFL）的研究人和IBM歐洲研究中心的人員的聯(lián)合研究的最新的研究顯示，激光可以對納米機械振蕩器冷卻至零點能量，即最小能量狀態(tài)的的狀態(tài)點。這一技術(shù)成功的發(fā)現(xiàn)，對量子技術(shù)的應(yīng)用具有十分重要的意義，該項研究成果發(fā)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(nèi)，不同領(lǐng)域的科學(xué)家們研究發(fā)展了利用聲學(xué)特性的工具，如聲共振或機械振動。對于機械共振，在很長的一段時間內(nèi)被用于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(biāo)志。

在更加基礎(chǔ)的層面上，這個振動遵從量子力學(xué)的基本規(guī)律。在不久的將來，利用材料的聲學(xué)特性的未來黑科技將會是充分發(fā)揮量子力學(xué)特征的優(yōu)點而發(fā)展起來的技術(shù)，如充分利用在兩個機械振動或兩個振動態(tài)的疊加態(tài)的糾纏。

“這將是進入量子領(lǐng)域的開端，之所以這么說，是因為這一技術(shù)是平行于現(xiàn)有的量子技術(shù)的技術(shù)，如不同于現(xiàn)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(chǎn)生的量子效應(yīng)的本質(zhì)常常受到外部環(huán)境的影響。其中這些影響因數(shù)中最普遍的是熱噪音——由于有限溫度的隨機波動而產(chǎn)生的”為了達到可能觀察量子力學(xué)效應(yīng)的這一層面，研究人員首選將環(huán)境影響中的噪音這一因數(shù)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(tài)，這一最低的能量狀態(tài)點就是零點能量狀態(tài)，也叫 基態(tài)。

基于量子力學(xué)的本質(zhì)特征，振蕩器經(jīng)常在其基態(tài)并不會被冷卻，而寧可說是，它包含著一個最小的能量狀態(tài)，就是所謂的零點能量。在過去的幾十年里，不同的研究團隊經(jīng)過多年的努力已經(jīng)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(tài)，甚至接近零點狀態(tài)

“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(tài)，在毫開的溫度范圍內(nèi)，”“但這會增加實驗的復(fù)雜性并進而帶來其他的限制。我們也開始瞄準(zhǔn)將我們的系統(tǒng)處于基態(tài)，操作溫度在幾K的溫度范圍內(nèi)”?！?/p>

在他們的研究中，研究人員極力使用激光冷卻一個納米機械振蕩器至零點能量狀態(tài)。顯而易見的，他們獲得了一個極端低的控制區(qū)域，即92%的部分為基態(tài)，從而推動整個系統(tǒng)在更深的層次進入量子的范疇。

“研究人員采用激光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(shù)應(yīng)用于我們的實驗是一件非常有名的技術(shù)。激光會施加一種稱之為輻射壓力的物質(zhì)狀態(tài)。這一輻射壓力可以用來進行對機械運動進行潮濕和冷卻，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(fā)生在一個硅納米束上，長度為幾微米，界面為 220 nm x 530 nm。這一界面同時作為光學(xué)共振器（諧振腔）來作為研究人員傳輸激光的媒介。這一系統(tǒng)中物體的震蕩和激光的壓力都是相互依賴的，于是，他們以一定的方式相互作用，最終對系統(tǒng)進行冷卻。”

眾所周知，激光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。為了盡可能的減少這一能量吸收效應(yīng)，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。

采用這一激光冷卻技術(shù)，研究人員可以實現(xiàn)冷卻納米機械振蕩器至零點能量狀態(tài)。他們的實驗結(jié)果也表明該技術(shù)方法的有效性，該技術(shù)也有效的利用了激光技術(shù)將機械振蕩器冷卻到目標(biāo)狀態(tài)（零點狀態(tài)）。

研究人員同時利用振蕩器本身所自帶的無校準(zhǔn)公制原位測量了系統(tǒng)中殘余的熱能量，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(zhì)特征的一個信號特征。

這一激光可以將振蕩器冷卻至基態(tài)的技術(shù)為我們創(chuàng)造了新 的應(yīng)用可能，同時為發(fā)展新的量子技術(shù)和為將來的量子力學(xué)的研究提供了借鑒。例如，這技術(shù)的實現(xiàn)可以實現(xiàn)兩個相對體積比較大的物體同時位于在疊加態(tài)，這一狀態(tài)也叫薛定諤貓狀態(tài)。

而且，這一發(fā)展的技術(shù)為機械系統(tǒng)在接近零點狀態(tài)工作創(chuàng)造了可能。這一實現(xiàn)對量子計算的應(yīng)用具有十分重要的意義。IBM的研究人員當(dāng)前正在極力的發(fā)展可以有效的將量子信息從其超導(dǎo)的量子位轉(zhuǎn)換到光子狀態(tài)。

這一期間可以作為鏈接量子計算機基于超導(dǎo)的量子位轉(zhuǎn)換到光子狀態(tài)（利用光線傳輸），從而創(chuàng)造出量子網(wǎng)絡(luò)，進一步達到可以進行計算的功率范圍。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(tǒng)中最為媒介而實現(xiàn)。對于這一應(yīng)用，其能夠?qū)崿F(xiàn)機械系統(tǒng)在基態(tài)則變得非常有必要。

在隨后的工作中，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（洛桑）和IBM的研究人員正打算利用這一技術(shù)：激光冷卻機械系統(tǒng)到零點狀態(tài)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制造出奇異量子態(tài)的可能性。

圖2 聲子屏蔽的光機諧振器

a,硅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(xué)共振的歸一化電場，采用有限元模擬（FEM）的結(jié)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(yīng)變）來表示，這個變形通過顏色的區(qū)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(yīng)。

圖3 激光冷卻納米機械振蕩器至量子基態(tài)的實驗示意圖

圖解：單模、可調(diào)制的，波長為1550nm的半導(dǎo)體激光用來進行冷卻和將機械轉(zhuǎn)換的激光束輸送到納米束光機械振蕩器中的孔洞中，此處利用He氣體進行低溫制冷。采用一個測波儀器來追蹤和鎖定激光頻率，并且使用一個可變的光衰減器來設(shè)定激光的功率。傳輸?shù)男盘柾ㄟ^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(diào)制探測信號用于光譜分析，激光冷卻所用的光束通過放大的電光調(diào)制器來進行校準(zhǔn)。

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(yīng)

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 Navarro‐Urrios 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