I ricercatori del Center for Nanoscale Materials presentano un modello quantistico per ottenere il raffreddamento dello stato fondamentale in risonatori meccanici a bassa frequenza e mostrano come la cooperatività e l'entanglement siano fattori chiave per migliorare la cifra di merito del raffreddamento.

Un risonatore con rumore termico prossimo allo zero ha caratteristiche di prestazione migliori nel rilevamento su scala nanometrica, memorie quantistiche, e applicazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche. Tecniche di raffreddamento criogenico passivo, come frigoriferi a diluizione, hanno raffreddato con successo risonatori ad alta frequenza ma non sono sufficienti per i sistemi a bassa frequenza. L'effetto optomeccanico è stato applicato con successo per raffreddare i sistemi a bassa frequenza dopo una fase di raffreddamento iniziale. Questo metodo accoppia parametricamente un risonatore meccanico a una cavità ottica guidata, e, attraverso un'attenta sintonizzazione della frequenza di azionamento, ottiene l'effetto di raffreddamento desiderato. L'effetto optomeccanico viene esteso a un approccio alternativo per il raffreddamento allo stato fondamentale basato su difetti allo stato solido incorporati. Viene proposto l'ingegnerizzazione dei parametri di accoppiamento atomo-risonatore, utilizzando il profilo di deformazione del risonatore meccanico che consente al raffreddamento di procedere attraverso gli stati di entanglement oscuri dell'insieme del sistema a due livelli. Questo approccio consente il raffreddamento allo stato fondamentale nonostante i deboli punti di forza di interazione comunemente osservati in contesti sperimentali. L'intreccio e gli effetti cooperativi sono fattori chiave per aumentare la cifra di merito di raffreddamento.

I risultati si applicano a una varietà di sistemi come i centri vacanti di silicio e azoto in diamanti e punti quantici, e far avanzare il potenziale di miniaturizzazione e funzionamento a temperatura ambiente necessari per applicazioni tecnologiche a lungo termine. Questo lavoro apre la strada a esperimenti di raffreddamento allo stato fondamentale utilizzando difetti allo stato solido. L'approccio, accessibile per dimostrazioni sperimentali e universale per una varietà di sistemi, supera i principali ostacoli che hanno bloccato la realizzazione del raffreddamento allo stato fondamentale utilizzando difetti allo stato solido incorporati.

Simulazioni quantistiche rigorose di sistemi interagenti a 2 livelli (atomi, centri NV, ecc.) incorporato in un risonatore meccanico (ad es. cantilever su microscala). L'ingegnerizzazione della fase locale delle forze di accoppiamento utilizzando il profilo di deformazione nei risonatori meccanici consente un raffreddamento efficiente mediato dalla cooperatività e dall'entanglement.