I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno raffreddato un oggetto meccanico a una temperatura più bassa di quanto si pensasse in precedenza possibile, al di sotto del cosiddetto "limite quantistico".

La nuova teoria ed esperimenti del NIST, descritto nel 12 gennaio, 2017, problema di Natura , mostrò che un microscopico tamburo meccanico, una membrana di alluminio vibrante, poteva essere raffreddato a meno di un quinto di un singolo quanto, o pacchetto di energia, inferiore a quanto normalmente previsto dalla fisica quantistica. La nuova tecnica teoricamente potrebbe essere utilizzata per raffreddare gli oggetti allo zero assoluto, la temperatura alla quale la materia è priva di quasi tutta l'energia e il movimento, Hanno detto gli scienziati del NIST.

"Più freddo puoi ottenere il tamburo, meglio è per qualsiasi applicazione, " ha detto il fisico del NIST John Teufel, che ha condotto l'esperimento. "I sensori diventerebbero più sensibili. È possibile memorizzare le informazioni più a lungo. Se le si utilizzasse in un computer quantistico, allora faresti il ​​calcolo senza distorsioni, e otterresti effettivamente la risposta che desideri."

"I risultati sono stati una completa sorpresa per gli esperti del settore, Il capogruppo e coautore di Teufel, José Aumentado, ha dichiarato:"Si tratta di un esperimento molto elegante che avrà sicuramente un grande impatto".

Il tamburo, 20 micrometri di diametro e 100 nanometri di spessore, è incorporato in un circuito superconduttore progettato in modo che il movimento del tamburo influenzi le microonde che rimbalzano all'interno di un involucro cavo noto come cavità elettromagnetica. Le microonde sono una forma di radiazione elettromagnetica, quindi sono in effetti una forma di luce invisibile, con una lunghezza d'onda più lunga e una frequenza più bassa della luce visibile.

La luce a microonde all'interno della cavità cambia la sua frequenza secondo necessità per adattarsi alla frequenza alla quale la cavità risuona naturalmente, o vibra. Questo è il "tono" naturale della cavità, " analogo al tono musicale che suonerà un bicchiere pieno d'acqua quando il suo bordo viene strofinato con un dito o il suo lato viene colpito con un cucchiaio.

Gli scienziati del NIST hanno precedentemente raffreddato il tamburo quantico al suo "stato fondamentale" a energia più bassa, " o un terzo di un quanto. Hanno usato una tecnica chiamata raffreddamento in banda laterale, che comporta l'applicazione di un tono a microonde al circuito a una frequenza inferiore alla risonanza della cavità. Questo tono guida la carica elettrica nel circuito per far battere il tamburo. I tamburi generano particelle di luce, o fotoni, che corrispondono naturalmente alla frequenza di risonanza più elevata della cavità. Questi fotoni fuoriescono dalla cavità mentre si riempie. Ogni fotone in partenza porta con sé un'unità meccanica di energia, un fonone, dal movimento del tamburo. Questa è la stessa idea del raffreddamento laser dei singoli atomi, dimostrato per la prima volta al NIST nel 1978 e ora ampiamente utilizzato in applicazioni come gli orologi atomici.

L'ultimo esperimento del NIST aggiunge una nuova svolta:l'uso della "luce schiacciata" per pilotare il circuito del tamburo. Squeezing è un concetto di meccanica quantistica in cui il rumore, o fluttuazioni indesiderate, viene spostato da una proprietà utile della luce ad un altro aspetto che non influisce sull'esperimento. Queste fluttuazioni quantistiche limitano le temperature più basse che possono essere raggiunte con le tecniche di raffreddamento convenzionali. Il team del NIST ha utilizzato un circuito speciale per generare fotoni a microonde che sono stati purificati o privati ​​delle fluttuazioni di intensità, che riduce il riscaldamento involontario del tamburo.

"Il rumore dà calci o riscaldamento casuali alla cosa che stai cercando di raffreddare, " ha detto Teufel. "Stiamo comprimendo la luce a un livello "magico" - in una direzione e una quantità molto specifiche - per creare fotoni perfettamente correlati con un'intensità più stabile. Questi fotoni sono fragili e potenti".

La teoria e gli esperimenti del NIST indicano che la luce schiacciata rimuove il limite di raffreddamento generalmente accettato, ha detto Teufel. Ciò include oggetti di grandi dimensioni o che operano a basse frequenze, quali sono i più difficili da raffreddare.

Il tamburo potrebbe essere utilizzato in applicazioni come computer quantistici ibridi che combinano elementi sia quantistici che meccanici, ha detto Teufel. Un tema caldo nella ricerca fisica in tutto il mondo, I computer quantistici potrebbero teoricamente risolvere alcuni problemi considerati oggi intrattabili.