Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà vật lý đã thiết kế một ‘máy nén ánh sáng’ lượng tử giúp giảm 15% nhiễu lượng tử trong chùm tia laser tới. Đây là hệ thống đầu tiên của loại này hoạt động ở nhiệt độ phòng, làm cho nó có thể được thiết lập nhỏ gọn, có thể được thêm vào các thí nghiệm có độ chính xác cao để cải thiện các phép đo laser trong đó nhiễu lượng tử là yếu tố hạn chế.
Các nhà vật lý tại MIT đã thiết kế một “máy nén ánh sáng” lượng tử giúp giảm 15% nhiễu lượng tử trong chùm tia laser tới. Đây là hệ thống đầu tiên thuộc loại này hoạt động ở nhiệt độ phòng, làm cho nó có thể được thiết lập nhỏ gọn, có thể được thêm vào các thí nghiệm có độ chính xác cao để cải thiện các phép đo laser trong đó nhiễu lượng tử là yếu tố hạn chế.
Trái tim của máy ép mới là một khoang quang có kích thước bằng đá cẩm thạch, được đặt trong buồng chân không và chứa hai gương, một trong số đó nhỏ hơn đường kính của một sợi tóc người. Chiếc gương lớn hơn đứng yên trong khi chiếc kia có thể di chuyển được, lơ lửng bởi một hẫng giống như lò xo.
Hình dạng và trang điểm của chiếc gương “cơ nano” thứ hai này là chìa khóa cho khả năng làm việc của hệ thống ở nhiệt độ phòng. Khi một chùm tia laser đi vào khoang, nó nảy giữa hai gương. Lực truyền bởi ánh sáng làm cho gương cơ nano xoay qua lại theo cách cho phép các nhà nghiên cứu chế tạo ánh sáng thoát ra khỏi khoang để có các tính chất lượng tử đặc biệt.
Ánh sáng laser có thể thoát khỏi hệ thống ở trạng thái bị nén có thể được sử dụng để thực hiện các phép đo chính xác hơn, ví dụ, trong tính toán lượng tử và mật mã học, và trong việc phát hiện sóng hấp dẫn.
“Tầm quan trọng của kết quả là bạn có thể thiết kế các hệ thống cơ học này để ở nhiệt độ phòng, chúng vẫn có thể có các tính chất cơ học lượng tử”, Nergis Mavalvala, Giáo sư Ngũ hành và phó trưởng khoa vật lý tại MIT nói. “Điều đó thay đổi hoàn toàn trò chơi về khả năng sử dụng các hệ thống này, không chỉ trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, được đặt trong tủ lạnh lớn, mà còn ở ngoài thế giới.”
Nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả của mình trên tạp chí Nature Vật lý . Tác giả chính của bài báo là Nancy Aggarwal, cựu sinh viên tốt nghiệp vật lý tại Phòng thí nghiệm MIT LIGO, hiện là nghiên cứu sinh tại Đại học Tây Bắc. Các đồng tác giả khác trên tờ báo cùng với Mavalvala là Robert Lanza và Adam Libson tại MIT; Torrey Cullen, Jonathan Cripe và Thomas Corbitt thuộc Đại học bang Louisiana; và Garrett Cole, David Follman và Paula Heu của Giải pháp gương tinh thể ở Santa Barbara, California.
Một “showstopper” lạnh lùng
Một tia laser chứa vô số photon phát ra trong sóng đồng bộ để tạo ra chùm ánh sáng tập trung, sáng. Tuy nhiên, trong cấu hình có trật tự này, có một chút ngẫu nhiên giữa các photon riêng lẻ của laser, dưới dạng dao động lượng tử, còn được gọi là vật lý là “nhiễu bắn”.
Chẳng hạn, số lượng photon trong laser đến máy dò tại bất kỳ thời điểm nào cũng có thể dao động quanh một số trung bình, theo một cách lượng tử rất khó dự đoán. Tương tự như vậy, thời gian mà một photon đến máy dò, liên quan đến pha của nó, cũng có thể dao động xung quanh một giá trị trung bình.
Cả hai giá trị này – số lượng và thời gian của các photon laser – xác định cách các nhà nghiên cứu có thể giải thích chính xác các phép đo laser. Nhưng theo nguyên lý bất định Heisenberg, một trong những nguyên lý nền tảng của cơ học lượng tử, không thể đo đồng thời cả vị trí (hoặc thời gian) và động lượng (hoặc số) của các hạt cùng một lúc với độ chắc chắn tuyệt đối.
Các nhà khoa học làm việc xung quanh sự hạn chế vật lý này thông qua việc ép lượng tử – ý tưởng rằng sự không chắc chắn trong các tính chất lượng tử của laser, trong trường hợp này là số lượng và thời gian của các photon, có thể được biểu diễn dưới dạng một vòng tròn lý thuyết. Một vòng tròn hoàn hảo tượng trưng cho sự không chắc chắn bằng nhau trong cả hai thuộc tính. Một hình elip – một vòng tròn bị nén – biểu thị độ không đảm bảo nhỏ hơn cho một tính chất và độ không đảm bảo lớn hơn cho một thuộc tính khác, tùy thuộc vào cách vòng tròn và tỷ lệ độ không đảm bảo trong các tính chất lượng tử của laser, được điều khiển.
Một cách mà các nhà nghiên cứu đã thực hiện việc ép lượng tử là thông qua các hệ thống cơ học, được thiết kế với các bộ phận, chẳng hạn như gương, có thể được di chuyển đến một mức độ nhỏ bằng ánh sáng laser tới. Một chiếc gương có thể di chuyển do lực tác dụng lên nó bởi các photon tạo nên ánh sáng và lực đó tỷ lệ thuận với số lượng photon chiếu vào gương tại một thời điểm nhất định. Khoảng cách mà gương di chuyển tại thời điểm đó được kết nối với thời gian của các photon đến gương.
Tất nhiên, các nhà khoa học không thể biết các giá trị chính xác cho cả số lượng và thời gian của các photon tại một thời điểm nhất định, nhưng thông qua hệ thống này, họ có thể thiết lập mối tương quan giữa hai tính chất lượng tử, và do đó làm giảm độ không đảm bảo và lượng tử tổng thể của laser tiếng ồn.
Cho đến nay, việc ép cơ học đã được hiện thực hóa trong các thiết lập lớn cần được đặt trong tủ đông lạnh. Đó là bởi vì, ngay cả ở nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt xung quanh cũng đủ ảnh hưởng đến các bộ phận có thể di chuyển của hệ thống, gây ra một “jitter” lấn át mọi đóng góp từ tiếng ồn lượng tử. Để chống lại tiếng ồn nhiệt, các nhà nghiên cứu đã phải làm mát các hệ thống xuống khoảng 10 Kelvin, hoặc -440 độ F.
Mavalvala nói: “Giây phút bạn cần làm lạnh lạnh, bạn không thể có một máy ép nhỏ gọn, di động”. “Đó có thể là một showstopper, bởi vì bạn không thể có một máy ép sống trong tủ lạnh lớn, sau đó sử dụng nó trong một thí nghiệm hoặc một số thiết bị hoạt động trong lĩnh vực này.”
Cho một vắt nhẹ
Nhóm nghiên cứu do Aggarwal dẫn đầu đã tìm cách thiết kế một hệ thống cơ học với một chiếc gương có thể di chuyển được làm từ các vật liệu hấp thụ rất ít năng lượng nhiệt, do đó chúng không cần làm mát hệ thống bên ngoài. Cuối cùng họ đã thiết kế một chiếc gương rất nhỏ, rộng 70 micron từ các lớp gallium arsenide và nhôm gallium arsenide xen kẽ. Cả hai vật liệu này đều là tinh thể với cấu trúc nguyên tử rất có trật tự ngăn không cho nhiệt thoát ra ngoài.
Các vật liệu rất rối loạn có thể dễ dàng mất năng lượng vì có rất nhiều nơi các electron có thể va chạm và tạo ra chuyển động nhiệt. Vật liệu càng có trật tự và tinh khiết thì càng ít mất mát hoặc tiêu tán năng lượng.
Nhóm nghiên cứu đã treo chiếc gương đa lớp này bằng một hẫng đúc nhỏ, dài 55 micron. Gương đúc hẫng và đa lớp cũng đã được định hình để hấp thụ năng lượng nhiệt tối thiểu. Cả gương di động và đúc hẫng đều được chế tạo bởi Cole và các đồng nghiệp của anh tại Crystalline Mirror Solutions, và được đặt trong một khoang có gương đứng yên.
Hệ thống này sau đó đã được cài đặt trong một thí nghiệm laser được xây dựng bởi nhóm của Corbitt tại Đại học bang Louisiana, nơi các nhà nghiên cứu thực hiện các phép đo. Với máy ép mới, các nhà nghiên cứu có thể mô tả sự dao động lượng tử về số lượng photon so với thời gian của chúng, khi tia laser bật lên và phản chiếu cả hai gương. Đặc tính này cho phép nhóm nghiên cứu xác định và do đó giảm 15% nhiễu lượng tử từ laser, tạo ra ánh sáng “vắt” chính xác hơn.
Aggarwal đã vẽ ra một kế hoạch chi tiết cho các nhà nghiên cứu để áp dụng hệ thống này vào bất kỳ bước sóng nào của ánh sáng laser tới.
Mavalvala nói: “Khi các máy ép quang cơ học trở nên thiết thực hơn, đây là công việc bắt đầu nó”. “Điều đó cho thấy rằng chúng tôi biết cách tạo ra những nhiệt độ phòng này, những cái nhíp không biết bước sóng. Khi chúng tôi cải thiện thí nghiệm và vật liệu, chúng tôi sẽ tạo ra những chiếc nhíp tốt hơn.”
Nghiên cứu này được tài trợ một phần bởi Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Công nghệ Massachusetts . Bản gốc được viết bởi Jennifer Chu. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :