Портативная система повышает точность лазера, при комнатной температуре

Физики из Массачусетского технологического института разработали квантовый «света соковыжималка», что уменьшает квантовый шум в входящего лазерного луча на 15 процентов. Это первая в своем роде система для работы при комнатной температуре, что делает его податливым к компактной установки, которая может быть добавлена в высокоточных экспериментах по совершенствованию лазерных измерений, где квантовый шум является ограничивающим фактором.

Сердцем нового аппарата является мрамор размер оптический резонатор, размещенный в вакуумной камере и содержащий два зеркала, одно из которых меньше, чем диаметр человеческого волоса. Большие зеркала стоит неподвижный, а другой подвижный, подвешен на пружине-как кантилевера.

Форма и состав этой второй «наномеханические» зеркало-это ключ к способности системы работать при комнатной температуре. Когда лазерный луч попадает в полость, он отражается между двумя зеркалами. Сила, сообщаемая свет делает наномеханических зеркало качаться взад и вперед таким образом, что позволяет исследователям спроектировать света, выходящего из полости специальных квантовых свойств.

Лазерный луч может выйти из системы сжатого состояния, который может быть использован, чтобы сделать более точные измерения, например, в квантовых вычислений и криптологии, а в обнаружении гравитационных волн.

«Важность этого результата заключается в том, что вы можете инженер механических систем, так что при комнатной температуре, они еще могут иметь квантово-механические свойства», — говорит зайдите Mavalvala, профессор мрамора и помощника главы физики Массачусетского технологического института. «Это изменяет игру полностью с точки зрения возможности использования этих систем, а не только в наших собственных лабораториях, размещенных в крупных криогенных холодильников, но и в мире».

Команда опубликовала свои результаты в журнале Nature физики. Ведущий автор исследования Нэнси Аггарвал, бывший физики аспирант в лаборатории ЛИГО МТИ, сейчас постдок в Северо-Западном университете. Другие соавторы на бумаге вместе с Mavalvala Роберт Ланца и Адам Либсон в Массачусетском технологическом институте; Торри Каллен, Джонатан черт побери, и Томас Corbitt Университета штата Луизиана; и Гаррет Коул, Дэвид Фоллман, и Паула Воу кристаллических продуктов в Санта-Барбаре, Калифорния.

Холодный «неисправимость»

Лазер содержит множество фотонов, что трансляция в синхронизированные волны, чтобы произвести яркий, сфокусированный луч света. В этом упорядоченном конфигурации, однако, есть немного рандома среди индивидуальных лазера фотоны, в виде квантовых флуктуаций, также известный в физике как «дробовой шум.»

Например, число фотонов в Лазере, которые поступают на детектор в любой момент времени может колебаться около среднего числа, в квантовой способом, который трудно предсказать. Аналогично, время, за которое фотон попадает на детектор, связанные с его фазе, также может колебаться вокруг среднего значения.

Оба этих значения-количество и сроки лазера фотоны — определить, как именно исследователи могут интерпретировать лазерных измерений. Но согласно принципу неопределенности Гейзенберга, один из основополагающих принципов квантовой механике, невозможно одновременно измерить обе позиции (или времени) и импульс (или количество) частиц, в то же время с абсолютной уверенностью.

Ученые обойти это физическое ограничение по квантовой выдавливание — мысль о том, что неопределенность в лазера с квантовыми свойствами, в данном случае количество и сроки фотонов, могут быть представлены как теоретический круг. Идеально круглый круг символизирует равна неопределенность в оба свойства. Эллипс — выжатый круг … представляет меньшую неопределенность для одного свойства и большую неопределенность для других, в зависимости от круга, а соотношение неопределенности лазера квантовые свойства, манипулируют.

Один из способов ученые осуществили квантовую протискиваясь через системы оптико-механические, разработанный с деталей, таких как зеркала, которые могут быть перемещены в крошечной степени входящего лазерного луча. Зеркало может двигаться за счет силы, приложенной на нее фотоны, составляющие этот свет, и эта сила пропорциональна количеству фотонов, которые попали в зеркало в данный момент времени. Расстояние зеркале переехал в это время подключен к ГРМ фотонов, прибывающих в зеркало.

Конечно, ученые не знают точного значения количества и частоты фотонов в данный момент времени, но благодаря такой системе они смогут установить связь между двумя квантовыми свойствами, и тем самым сжимаете вниз неопределенность и лазера в целом квантового шума.

До сих пор оптико-механического выдавливания реализуется в крупных установках, которые должны быть размещены в криогенных морозильников. Это потому, что, даже при комнатной температуре, окружающей тепловой энергии достаточно, чтобы иметь эффект на подвижной части системы, вызывает «дрожание», что переполняет любой вклад от квантовых шумов. Для защиты от тепловых помех, исследователи имели для охлаждения системы до 10 градусов Кельвина, или -440 градусов по Фаренгейту.

«В минуту вам нужно криогенное охлаждение, вы не можете иметь портативный, компактный соковыжималка,» Mavalvala говорит. «Что может быть под угрозой срыва, потому что вы не можете иметь соковыжималка, которая живет в большой холодильник, а затем использовать это в качестве эксперимента или какого-либо устройства, которая работает в поле».

Давая свет выжимать

Команда, возглавляемая Аггарвал, посмотрел на дизайн системы оптико-механическая с подвижным зеркалом изготовлен из материалов, которые по своим свойствам поглощать очень мало тепловой энергии, так что им не нужно, чтобы охладить систему извне. Они в конечном счете предназначены очень маленький, 70 мкм-широкий зеркало из чередующихся слоев арсенида галлия и алюминия арсенида галлия. Оба материала являются кристаллы с очень упорядоченной атомной структурой, что предотвращает любые входящие тепло.

«Очень неупорядоченных материалов может легко теряют энергию, потому что есть много мест, где электроны могут грохнуть и сталкиваются и создают тепловое движение», — говорит Аггарвал. «Чем больше заказал и чистого материала, тем меньше места она уже потеряет или рассеивать энергию.»

Команда приостановила это многослойное зеркало с небольшим, 55 мкм-длинный консольный. Кантилевера и многослойные зеркала также были в форме, чтобы поглотить минимальный тепловой энергии. Обе подвижные зеркала и консоли были сфабрикованы Коул и его коллеги кристаллический зеркало решений, и размещен в полости с неподвижным зеркалом.

Затем система была установлена в лазерном эксперименте, построенный группой Corbitt в Университет штата Луизиана, где исследователи делали замеры. С новым соковыжималка, исследователям удалось характеризуют квантовые флуктуации числа фотонов в зависимости от их сроков, так как лазер отскочил и отражается от обоих зеркал. Эта характеристика позволила команде выявить и тем самым уменьшить квантовый шум от лазера на 15 процентов, производить более точное «зажали» свет.

Аггарвал был составлен план исследователей для принятия системы на любой длине волны входящего лазерного луча.

«Как оптико-механические соковыжималки становятся еще более практичными, это работа, которая началась,» Mavalvala говорит. «Это показывает, что мы знаем, как сделать эти комнатной температуре, длина волны-агностик соковыжималки. Как мы можем улучшить эксперимента и материалами, мы сделаем лучше соковыжималки».

Это исследование было фондировано в части Национальным научным фондом США.

сделать разницу: спонсорские возможности