nplus1.ru

Оптический резонатор выявил квантовые движения в жидкости

Физики исследовали

нулевые колебания и квантовый эффект обратного действия в сверхтекучем гелии.

Для этого они заполнили оптический резонатор жидкостью и получили систему

спаренных механических и электромагнитных колебаний. Установка стала первым

примером системы, в которой возможно изучение квантовых оптомеханических эффектов для жидкостей, а не для твердых тел или газов, пишут

авторы в журнале Physical Review Letters.

Квантовая механика

управляет поведением микроскопических частиц, но ее эффекты могут проявляться и

на макромасштабе. Когда свет взаимодействует с макроскопическим объектом, то

обычно это проводит к возникновению необратимых возбуждений, что разрушает

квантовое состояние излучения и исключает возможность исследования крупномасштабных

квантовых свойств тел. Это ограничение можно обойти, если подобрать ситуацию, в

которой сильное взаимодействие между множеством частиц и излучением возбуждает только одну степень свободы.

Одним из таких случаев

являются оптомеханические системы, в которых колебания вещества связываются с

электромагнитным полем в полости между зеркалами. Такие системы нашли множество

применений, в частности, на них основаны гравитационно-волновые антенны, в

которых лазерные лучи отражаются от колеблющихся зеркал, которые также являются

одной из стенок резонатора. В подобных ситуациях возможно наблюдение квантовых эффектов

у макроскопических тел, например, охлаждение механических осцилляторов массой в

сотни нанограммов до основного энергетического состояния или квантовый эффект обратного действия для нагретых до комнатной температуры

тел.

До последнего времени

такие опыты проводились лишь с твердыми телами или газами в полости между

зеркалами. В работе под руководством Джека Харриса (Jack Harris) из Йельского университета впервые в

оптомеханическом резонаторе исследуется квантовое поведение жидкости —

сверхтекучего гелия. Использованная установка отличается от других вариантов сразу по

нескольким важным пунктам. Во-первых, у жидкости есть специфические

механические возбуждения, соответствующие вихревому движению. Во-вторых, наличие поверхности и возможность менять форму привносят дополнительные степени свободы. В-третьих,

особые физические свойства сверхтекучего гелия, такие как высокая

теплопроводность, позволяют обходить некоторые технические сложности реализации

оптомеханических систем.

Схема взаимодействия в резонаторе. Желтым цветом по бокам обозначены концы оптоволоконных кабелей, красным — лазер и стоячая волна излучения в резонаторе, синим — сверхтекучий гелий и стоячая акустическая волна в нем

A. Shkarin et al. / Physical Review Letters, 2019

Поделиться

Физики экспериментально изучали поведение гелия в промежутке между двумя оптоволоконными

проводами, который был резонатором одновременно для оптических и

акустических волн. Параметры акустических колебаний определялись по исходящему спектру излучения, так как они оказывались связаны с электромагнитными. Свойства резонатора позволили возбудить отдельную моду колебаний жидкости и исследовать ее квантовые флуктуации, в которых удалось выделить влияние двух эффектов. Первым феноменом были нулевые колебания, то есть движения

частиц в основном состоянии, которые не связаны с температурой тела. Вторым —

квантовое обратное действие, то есть возмущения колебаний, вызванные

воздействием измеряющего лазерного луча.

Работа физиков не демонстрирует принципиально новых эффектов, так как они уже были известны в случае твердых тел и газов, но, тем не менее, важна по двум причинам. С одной стороны, здесь исследовалась отдельная мода колебаний в сверхтекучем гелии, в то время как в большинстве работ с этим веществом возбуждается сразу множество мод. С другой, будущие эксперименты с

жидкостями в оптомеханических резонаторах позволят исследовать новые явления,

такие как вращательные степени свободы и турбулентность в условиях сверхтекучести,

которая может стать моделью для описания обычной турбулентности.

Другое возможное

развитие направления — охлаждение рекордно массивных тел до основного состояния. По

предварительным оценкам авторов, приведенным в другой статье, подобным образом можно

достичь экстремального охлаждения левитирующих капель сверхтекучего гелия с

массой до сотен микрограммов, что значительно превосходит достигнутые ранее результаты.

Какие ухищрения физики применяют для увеличения точности детектирования гравитационных волн при помощи оптических резонаторов, мы подробно писали в материале «Точилка для квантового

карандаша». Также ученые разработали резонатор объемом всего в кубический нанометр, который позволил изучить колебания отдельных связей в одиночной молекуле. Другой коллектив предложил возбуждать два атома одним фотоном в резонаторе.