پژوهش‌گران این تحقیق از جفت‌شدگی اتلافی و جفت‌شدگی پاشنده پشت سرهم استفاده کرده‌اند تا به شکل تجربی فرم عمومی سرمایش اپتومکانیکی را به اثبات برسانند. در اسباب آن‌ها (شکل ۱ را ببینید) کاواک اپتیکی با یک تداخل‌سنج مایکلسون-ساگناک ایجاد می‌شود و یک آینه‌ی «بازیافت سیگنال» با بازتاب بالا در خروجی این تداخل‌سنج قرار گرفته است[7]. در این تداخل‌سنج٬ نور با شکافنده‌ای تقسیم شده و در دو جهت مختلفِ یک کاواک حلقوی منتشر می‌شود. این آینه به طریقی عمل می‌کند که تشدید کاواک را تنظیم کرده و با ارسال مقداری نور به عقبِ تداخل‌سنج٬ میدان نوری را در کاواک تقویت می‌کند. در داخل تداخل‌سنج یک غشای نیترید سیلیکونی متحرک به عنوان یک نوسانگر مکانیکی با فرکانس ۱۳۶ کیلوهرتز عمل می‌کند. مکان آن٬ هم مقدار نور داخل کاواک را تغییر می‌دهد و هم نوری که از بخش خارجی گسیل می‌شود. بنابراین هم پهنای باند را تحت تاثیر قرار می‌دهد و هم فرکانس تشدید کاواک را. از طریق این غشاء جفت‌شدگی پاشنده (یعنی مدوله‌سازی فرکانس کاواک) و جفت‌شدگی اتلافی (یعنی مدوله‌سازی پهنای باند) تحقق می‌یابد. در این آزمایش پهنای باند کاواک بین ۰/۷ و ۱/۵ مگاهرتز قابل تنظیم بوده و بسیار بزرگ‌تر از فرکانس نوسانگر مکانیکی است.

در تقابل کامل با سیستم‌های جفت‌شده‌‌ی پاشنده٬ آزمایش اشنابل و همکارانش سرمایش نوسانگر مکانیکی را در طول گستره‌ی وسیعی از فرکانس‌ها (بالاتر و پائین‌تر از فرکانس کاواک) به نمایش گذاشته است. مهم‌تر از همه٬ سرمایش توسط یک منبع نوری (با فرکانس دلخواهی نزدیک به فرکانس تشدید کاواک) نیز امکان‌پذیر است. بنابراین این اسباب قادر است تا نوسانگرهای سنگین را با فرکانس‌های کم خنک کند. پژوهش‌گران٬ دمای موثر غشای نوسان‌کننده را با نظارت بر نوفه‌ی حاصل از جابجاگری‌های غشاء اندازه گرفته‌اند. از یک دمای اولیه‌ی ۳۰۰ کلوین٬ مُد مکانیکی به دمای موثر ۱۱۱ میلی‌کلوین رسیده است؛ یک کاهش سه مرتبه‌ای از  اشغال دمایی این مُد مکانیکی.

طرحی که اشنابل و همکارانش ارائه داده‌اند راه‌های جدیدی را به سوی تحقق طرح‌های سرمایش اپتومکانیکی باز می‌کند که متناسب با تعداد زمینه‌های پژوهشی است. اولاً این امکان فراهم می‌شود تا آینه‌های بسیار سنگین تا حالت پایه‌ی کوانتومی خود خنک شده و از این طریق امکان آزمودن اثرات کوانتومی در مقیاس‌های بزرگ فراهم می‌شود [3]: نوسانگرهای ساخته شده از میلیون‌ها اتم می‌تواند درهم‌تندیده شده یا در یک برهم‌نهی از حالات کوانتومی فراهم شوند و برای مثال «گربه‌های شرودینگرِ» بزرگ‌مقیاس را تحقق بخشند. ثانیاً چون حرکت مکانیکی قادر است انرژی ذخیره شده در یک سیستم را تحت تاثیر قرار دهد٬ می‌توان تشدیدگرهای مکانیکی را به انواع گوناگونی از سیستم‌های کوانتومی (مثل کیوبیت‌های ابررسانا٬ اتم‌های سرد و میکروکاواک‌های نیمه‌رسانا) جفت کرد. بنابراین این تشدیدگرها می‌توانند بعنوان محیطی برای اتصال قطعاتی که در گستره‌های فرکانسی متفاوت کار می‌کنند بکار رفته و ساخت سیستم‌های اطلاعاتی کوانتومی هیبریدی [4] را سهولت بخشد. اما یکی از جذاب‌ترین کاربردها در آشکارسازهای موج گرانشی (GW) خواهد بود. آزمایش «LIGO پیشرفته» [8] و توسعه‌ی آینده‌ی لیگو (رصدخانه‌ی موج-گرانشی تداخل‌سنج لیزری-Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) از اسباب تداخل‌سنجی مشابهی با تداخل‌سنج مایکلسون و آینه‌ی بازیافت سیگنال استفاده خواهند کرد. در چنان سیستمی یک جرم آزمون بعنوان یک نوسانگر مکانیکی عمل می‌کند که می‌تواند امواج گرانشی را آشکارسازی کند. پیش‌بینی شده است [9] که میدان اپتیکی در کاواک٬ یک «فنر اپتیکی» را تولید خواهد کرد که بر روی این جرم همچون یک فنر الاستیک عمل کرده و حساسیت آشکارساز را افزایش می‌دهد. متاسفانه پژوهش بیشتری که انجام یافته [7] نشان داده است که جفت‌شدگی اپتومکانیکی خالص پاشنده٬ همچون فنر اپتیکی٬ ذاتاً ناپایدار بوده و به نوسانات مکانیکی غیرقابل کنترل می‌انجامد. اما می‌توان به این مشکل با اضافه کردن جفت‌شدگی اتلافی (استفاده از اثر متقابل آن با جفت‌شدگی پاشنده برای پایدارساختن نوسانگر مکانیکی [7]) فائق آمد. این نمایشِ آزمایشگاهی جدید توانسته مسیر مهمی به سوی آشکارسازهای موج گرانشی حساس‌تر بگشاید.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.                  

مراجع:

1.     J. Chan, T. P. Mayer Alegre, A. H. Safavi-Naeini, J. T. Hill, A. Krause, S. Gröblacher, M. Aspelmeyer, and O. Painter, “Laser Cooling of a Nanomechanical Oscillator into its Quantum Ground State,” Nature 478, 89 (2011); J. D. Teufel, T. Donner, Dale Li, J. W. Harlow, M. S. Allman, K. Cicak, A. J. Sirois, J. D. Whittaker, K. W. Lehnert, and R. W. Simmonds, “Sideband Cooling of Micromechanical Motion to the Quantum Ground State,” ibid. 475, 359 (2011); E. Verhagen, S. Deléglise, S. Weis, A. Schliesser, and T. J. Kippenberg, “Quantum-Coherent Coupling of a Mechanical Oscillator to an Optical Cavity Mode,” ibid. 482, 63 (2012).

2.     Andreas Sawadsky, Henning Kaufer, Ramon Moghadas Nia, Sergey P. Tarabrin, Farid Ya. Khalili, Klemens Hammerer, and Roman Schnabel, “Observation of Generalized Optomechanical Coupling and Cooling on Cavity Resonance,” Phys. Rev. Lett. 114, 043601 (2015).

3.     M. Aspelmeyer, T. J. Kippenberg, and F. Marquardt, “Cavity Optomechanics,” Rev. Mod. Phys. 86, 1391 (2014).

4.     L. Tian, “Optoelectromechanical Transducer: Reversible Conversion Between Microwave and Optical Photons,” Ann. Phys. (Berlin) 527, 1 (2015).

5.     F. Elste, S. M. Girvin, and A. A. Clerk, “Quantum Noise Interference and Backaction Cooling in Cavity Nanomechanics,” Phys. Rev. Lett.102, 207209 (2009).

6.     M. Li, W. H. P. Pernice, and H. X. Tang, “Reactive Cavity Optical Force on Microdisk-Coupled Nanomechanical Beam Waveguide,” Phys. Rev. Lett. 103, 223901 (2009); M. Wu, A. C. Hryciw, C. Healey, D. P. Lake, H. Jayakumar, M. R. Freeman, J. P. Davis, and P. E. Barclay, “Dissipative and Dispersive Optomechanics in a Nanocavity Torque Sensor,” Phys. Rev. X 4, 021052 (2014).

7.     S. P. Tarabrin, H. Kaufer, F. Y. Khalili, R. Schnabel, and K. Hammerer, “Anomalous Dynamic Backaction in Interferometers,” Phys. Rev. A88, 023809 (2013).

8.     Information on the LIGO project and related publications can be found at http://www.ligo.org..

9.     A. Buonanno, and Y. Chen, “Signal Recycled Laser-Interferometer Gravitational-Wave Detectors as Optical Springs,” Phys. Rev. D 65, 042001 (2002).

درباره‌ی نویسنده:

لیت تیان (Lin Tian) مدرک پی‌اچ‌دی خود را در رشته‌ی فیزیک به سال ۲۰۰۲ ار موسسه‌ی فناوری ماساچوست دریافت کرده است. پس از آن وی به عنوان پژوهش‌گر پسادکترا در دانشگاه اینسبروک، NIST در گیترزبرگِ مریلند و دانشگاه استانفورد مشغول به کار شده است. اکنون دانشیار فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا در مرسد است. وی بر روی پرسش‌های نظری در اپتومکانیک کوانتومی٬ شبیه‌سازی کوانتومی و مدل‌های واهمدوسی کار می‌کند.

منبع: