Первое прямое наблюдение квантовых эффектов в оптомеханической системе

Ученые из Лоуренсовской национальной лаборатории и Калифорнийского университета (все в Беркли), используя уникальную оптическую ловушку, в которой создается ансамбль сверхохлажденных атомов, впервые прямо наблюдали отчетливые квантовые оптические эффекты – усиления и сжатия света – в оптомеханической системе.

Их открытие указывает путь к квантовым оптическим устройствам с низким потреблением энергии и улучшенным детекторам гравитационных волн. «Мы впервые показали, что квантовые флуктуации в световом поле являются ответственными за движение объектов много больших, чем электрон, и могут, в принципе, привести в движение действительно макроскопические объекты», - сказал Дэниэл Брукс (Daniel Brooks), ученый из отдела материаловедения Berkley Lab’s, член исследовательской группы Дэна Стампер-Керна (Dan Stamper-Kurn).

В оптическом резонаторе свет определенных частот усиливается, а перемещение механического резонатора внутри оптического изменяет резонансную частоту света, который проходит через оптический резонатор. В то время, когда свет проходит через оптический резонатор, он действует подобно «световому буксиру», толкая взад и вперед механический резонатор.

Если оптический резонатор очень высокого качества и механический резонаторный элемент внутри полости оптического резонатора – атомарного размера и охлажден почти до абсолютного нуля, то полученный оптомеханический резонатор может быть использован для определения самых малых механических движений. И обратно, даже наименьшая флуктуация света может вызвать раскачивание атомов. Изменяя характеристики света можно управлять движением атомов. Это не только открывает дверь для фундаментального изучения квантовой механики, которая может больше сказать нам о «классическом» мире, в котором мы живем, но и дает выход в такие области, как квантовая обработка информации, создание сверхчувствительных датчиков силы и другие, которые сегодня могут казаться фантастическими.

     

Исследователи из Berkeley Lab впервые наблюдали квантовые оптические эффекты – усиление и пондеромоторное сжатие – в оптомеханической системе. Здесь желто-красная область показывает усиление, синяя область - сжатие. Слева – данные эксперимента, справа – теоретическое предсказание в отсутствие шума

Исследователи из Беркли сначала применили классическую модуляцию света к низкоэнергетическому лучу накачки (36 пВт), входящему в их оптический резонатор, чтобы продемонстрировать, что их система ведет себя как оптомеханический параметрический усилитель. Затем они погасили классическое движение и измерили ответ на флуктуации вакуума. Это позволило им наблюдать сжатие света вследствие его взаимодействия с колеблющимся ансамблем и движение атомов, вызванное квантовыми флуктуациями света. Усиление и это сжимающее взаимодействие были давно искомой целью оптомеханических исследований.

«Параметрическое усиление в типичном случае требует высокоэнергетического луча накачки, но малая масса нашего ансамбля требует очень мало фотонов, чтобы включать и выключать взаимодействие, - сказал Брукс. – Пондеромоторное сжатие, которое мы наблюдали, правда, в узкой полосе частот, было естественным следствием имеющегося дробового эффекта в нашей системе, вызванного давлением света». Так как сжатый свет улучшает чувствительность детекторов гравитационных волн, эффект пондеромоторного сжатия может сыграть существенную роль в будущих детекторах.

Исследовательская группа Стампер-Керна разработала микроскопическую атомную систему на чипе, которая является магнитной ловушкой для захвата газа из тысяч сверхохлажденных атомов