I ricercatori del Politecnico federale di Losanna (EPFL) e dell'IBM Research Europe hanno recentemente dimostrato il raffreddamento laser di un oscillatore nanomeccanico fino alla sua energia di punto zero (cioè, il punto in cui contiene una quantità minima di energia). La loro dimostrazione di successo, in primo piano Lettere di revisione fisica , potrebbe avere importanti implicazioni per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche.

Per molto tempo, ricercatori specializzati in diverse aree della scienza e della tecnologia hanno sviluppato strumenti che sfruttano le proprietà acustiche degli oggetti, quali risonanze acustiche o vibrazioni meccaniche. Ad esempio, le risonanze meccaniche sono state a lungo utilizzate per elaborare segnali o per la raccolta di misurazioni altamente precise.

A un livello più fondamentale, queste risonanze seguono le leggi della meccanica quantistica. Le future tecnologie che sfruttano le proprietà acustiche dei materiali potrebbero quindi sfruttare anche le loro caratteristiche quantomeccaniche, come l'intreccio tra due vibrazioni meccaniche o la sovrapposizione di due stati vibrazionali.

"Questo ingresso nel regime quantistico è parallelo ad altre tecnologie quantistiche, come i computer quantistici, "Dott. Itay Shomroni, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "La natura quantistica di questi oggetti relativamente grandi è mascherata da influenze esterne dall'ambiente, il più pervasivo dei quali è il rumore termico, fluttuazioni casuali dovute a una temperatura finita."

Per raggiungere un regime in cui è possibile osservare gli effetti della meccanica quantistica, i ricercatori devono prima rimuovere il rumore derivato dalle influenze ambientali. Ciò può essere ottenuto raffreddando un oscillatore meccanico al suo stato energetico più basso possibile, noto come stato fondamentale.

Per le leggi della meccanica quantistica, un oscillatore non si congela quando è nel suo stato fondamentale, ma piuttosto, contiene una quantità minima di energia, la cosiddetta "energia di punto zero". diversi gruppi di ricerca si sono avvicinati sempre più a portare il movimento meccanico allo stato fondamentale e quindi all'energia di punto zero, utilizzando una varietà di oscillatori nano e micromeccanici.

"Un approccio è semplicemente quello di raffreddare l'intero apparato a temperature estremamente basse, nell'intervallo dei milli-Kelvin, "Shomroni ha detto, "ma questo aumenta la complessità degli esperimenti e introduce altri vincoli. Abbiamo anche mirato a raggiungere il raffreddamento dello stato fondamentale nel nostro sistema che opera a diversi gradi Kelvin".

Nel loro studio, Liu Qiu, Shomroni, e i loro colleghi hanno cercato di raffreddare un oscillatore nanomeccanico fino alla sua energia di punto zero utilizzando tecniche di raffreddamento laser. Sorprendentemente, erano in grado di raggiungere un'occupazione estremamente bassa (cioè, 92% di occupazione dello stato fondamentale), spingendo il sistema molto più in profondità nel regime quantistico.

"Usiamo la luce laser per raffreddare il movimento del nostro oscillatore meccanico, che a prima vista può sembrare sorprendente, " ha spiegato Shomroni. "Questa è una tecnica ben nota che è stata utilizzata in altri esperimenti, anche. La luce esercita una forza sulla materia chiamata pressione di radiazione. Questa forza può essere utilizzata per smorzare e raffreddare il movimento meccanico, a condizione che sia applicato correttamente, opponendosi alla velocità dell'oggetto."

Nell'esperimento, la vibrazione meccanica avviene in una sezione di un nanofascio di silicio lungo diversi micron e con una sezione trasversale di 220 nm x 530 nm. Questa sezione fa anche parte di una cavità ottica in cui i ricercatori hanno iniettato raggi laser. La vibrazione e la leggera pressione in questo sistema sono interdipendenti, così, si relazionano in un modo che alla fine raffredda il sistema.

"Come sappiamo, la luce può anche riscaldare gli oggetti perché viene assorbita, " ha detto Shomroni. "Al fine di ridurre al minimo l'effetto di assorbimento, abbiamo circondato il nostro oscillatore con una piccola quantità di gas elio, in modo che il calore in eccesso possa dissiparsi rapidamente."

Utilizzando il loro metodo basato sul raffreddamento laser, Qiu, Shomroni e i loro colleghi sono stati in grado di raffreddare un oscillatore nanomeccanico molto vicino alla sua energia di punto zero. I risultati ottenuti dimostrano l'efficacia degli approcci che sfruttano l'interazione della tecnologia laser con le vibrazioni meccaniche per il raffreddamento di oggetti meccanici.

I ricercatori hanno anche misurato l'energia termica residua nel loro sistema in situ utilizzando una metrica senza calibrazione offerta dall'oscillatore stesso, vale a dire, il rapporto tra i suoi tassi di assorbimento e di emissione. Questa particolare metrica è anche nota per essere una firma della natura quantistica di un oscillatore.

La capacità di raffreddare un sistema quantistico fino al suo stato fondamentale potrebbe aprire nuove possibilità, sia per lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche che per ulteriori ricerche in meccanica quantistica. Ad esempio, questa capacità potrebbe consentire la creazione di un oggetto meccanico relativamente grande in uno stato di sovrapposizione quantistica noto come stato del gatto di Schrödinger.

Inoltre, lo sviluppo di un metodo in grado di avvicinare i sistemi meccanici alla loro energia di punto zero potrebbe avere importanti implicazioni per l'informatica quantistica. I ricercatori di IBM stanno attualmente cercando di sviluppare dispositivi in ​​grado di trasdurre in modo efficiente le informazioni quantistiche, convertendolo da qubit superconduttori a fotoni ottici.

"Tali dispositivi servirebbero come mezzo per connettere computer quantistici basati su qubit superconduttori con cavi in ​​fibra ottica per creare una rete quantistica e scalare ulteriormente la potenza di calcolo, "Paolo Seidler, un altro ricercatore che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org "Ad oggi, gli approcci di maggior successo alla trasduzione ottica a microonde utilizzano un sistema meccanico come intermediario. Per questa applicazione, la capacità di inizializzare il sistema meccanico nel suo stato fondamentale può essere essenziale."

Nel lavoro futuro, il team EPFL-IBM prevede di utilizzare la sua tecnica per raffreddare i sistemi meccanici fino alla loro energia di punto zero per controllarne il movimento in nuovi modi interessanti. Ad esempio, i ricercatori vorrebbero esplorare il potenziale del loro metodo per la produzione di una varietà di stati quantistici esotici.

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