Mikroskopia w świecie mechaniki kwantowej

Optomechanika wnęk jest uważana za przełomowe odkrycie w naukach przyrodniczych, ponieważ umożliwia badanie oddziaływań pomiędzy fotonami i lustrami w prostych eksperymentach. Umożliwia badanie mikroskopowe obiektów w warunkach, gdy zaczyna się obserwować efekty kwantowe. Ma też fascynujące zastosowania praktyczne w takich dziedzinach, jak fotonika krzemionki i czujniki.

Typowe protokoły eksperymentalne korzystają z niewielkiej wnęki optycznej, która ogranicza kierunek padania światła, oraz sprzężonego z nią oscylatora. Presja radiacyjna wywierana na dowolną powierzchnię narażoną na promieniowanie elektromagnetyczne może zostać wykorzystana do schładzania rezonatora mechanicznego w kierunku kwantowego stanu ruchu podstawowego. Stworzenie takiego układu było celem finansowanego ze środków UE projektu "Quantum phenomena in optomechanical systems" (QPOS).

Wszystkie eksperymenty łączyły pasywne chłodzenie kriogeniczne z chłodzeniem optycznym. Zespół opracował nowy układ składający się z nanowiązki azotku krzemu sprzężonej elektromagnetycznie, lub, aby być bardziej precyzyjnym, poprzez pole zanikające z krzemionkowym mikrodyskiem rezonatorowym. Wykazał niespotykaną dotąd kooperatywność, będącą miernikiem siły sprzężenia i umożliwiającą przeprowadzenie szeregu różnych eksperymentów.

Korzystając z tego układu zespół przeprowadził długoterminowe badanie sprzężenia chłodzącego. Jest to technika, która używa przesunięcia oscylatora, aby przyłożyć do niego odpowiednią siłę w pętli sprzężenia. Naukowcy z powodzeniem schłodzili podstawowe rodzaje nanonitek o danych właściwościach mechanicznych do zakresu 5–10 fononów, co jest miarą całościowych oscylacji w skondensowanej materii. Wyniki są obecnie opracowywane i przygotowywane do publikacji.

W innych eksperymentach zespół wykazał znaczące ogrzewanie, wynikające z absorpcji optycznej, które należy ograniczyć w celu ograniczenia zanieczyszczeń protokołu. Opracowano ponadto układ i obliczenia teoretyczne do badania innego źródła strat mechanicznych, rozpraszania i absorpcji fononów. Składa się z pięciu rezonatorów optomechanicznych o wysokiej częstotliwości i małych stratach zaciskowych. Znajdzie niedługo zastosowanie w eksperymentach prowadzonych w niskich temperaturach.

Projekt QPOS stanowi duży sukces pod względem opracowywania innowacyjnych układów i badania oddziaływań optomechanicznych na styku mechaniki klasycznej i kwantowej. Wdrożenie niektórych z nich już przyniosło wartościowe wyniki, które zostaną niedługo opublikowane w szeregu artykułów.