Para ilmuwan menggunakan laser untuk mendinginkan membran kecil itu

Dalam percobaan Basel, sinar laser diarahkan ke membran (bujur sangkar di tengah). Menggunakan sinar laser yang dipantulkan, ditunda oleh kabel serat optik (ungu), membran kemudian didinginkan hingga kurang dari seribu derajat di atas nol mutlak. Kredit: Universitas Basel, Departemen Fisika

Para peneliti dari University of Basel telah mengembangkan teknik baru yang berhasil mendinginkan membran kecil hingga mendekati suhu tersebut nol mutlak hanya menggunakan sinar laser. Selaput yang sangat kriogenik seperti itu, misalnya, dapat menemukan aplikasi dalam sensor yang sangat sensitif.

Berabad-abad yang lalu, tepatnya sekitar 400 tahun yang lalu, astronom Jerman terkenal Johannes Kepler menyusun gagasan tentang layar surya. Dipercayai bahwa layar ini dapat menggerakkan kapal melintasi alam semesta. Kepler berasumsi bahwa cahaya, ketika dipantulkan oleh suatu benda, menghasilkan gaya. Gagasan ini juga memberikan penjelasan atas fenomena ekor komet yang selalu menjauhi matahari.

Saat ini, para ilmuwan menggunakan kekuatan cahaya untuk, antara lain, memperlambat dan mendinginkan atom dan partikel lainnya. Biasanya, seseorang membutuhkan perangkat yang rumit untuk melakukannya. Sebuah tim peneliti di University of Basel yang dipimpin oleh Prof. Dr. Philipp Trotlin dan Prof. Dr. Patrick Potts berhasil mendinginkan lapisan tipis hingga suhu mendekati nol mutlak minus 273,15 derajat. Celsius hanya menggunakan sinar laser. Mereka baru-baru ini menerbitkan temuan mereka di jurnal ilmiah * Review Fisik.

Umpan balik yang tidak terukur

“Yang membuat metode kami istimewa adalah kami mencapai efek pendinginan ini tanpa melakukan pengukuran apa pun,” kata fisikawan Marise Ernzer, PhD. Mahasiswa dan penulis pertama makalah penelitian. Menurut hukum mekanika kuantum, pengukuran, seperti yang biasanya diperlukan dalam putaran umpan balik, menyebabkan perubahan keadaan kuantum dan dengan demikian menyebabkan perturbasi. Untuk menghindari hal ini, para ilmuwan Basel mengembangkan apa yang disebut loop umpan balik yang koheren di mana sinar laser bertindak sebagai sensor dan peredam. Dengan cara ini, mereka mendinginkan dan mendinginkan getaran termal dari membran silikon nitrat berukuran sekitar setengah milimeter.

Dalam percobaan mereka, para peneliti mengarahkan sinar laser ke membran dan menyorotkan cahaya yang dipantulkan dari membran ke kabel serat optik. Dalam prosesnya, getaran membran menyebabkan perubahan halus pada fase osilasi dari cahaya yang dipantulkan. Informasi tentang keadaan kinetik sesaat membran dalam fase osilasi itu kemudian digunakan, dengan penundaan waktu, untuk menerapkan jumlah gaya yang sesuai ke membran pada saat yang tepat dengan sinar laser yang sama.

“Ini seperti memperlambat ayunan dengan menyentuh tanah sebentar dengan satu kaki pada waktu yang tepat,” jelas Ernzer. Untuk mencapai penundaan optimal sekitar 100 nanodetik, para peneliti menggunakan kabel serat optik sepanjang 30 meter.

mendekati nol mutlak

“Profesor Potts dan kolaboratornya mengembangkan deskripsi teoretis dari teknologi baru dan menghitung pengaturan di mana kita dapat mengharapkan untuk mencapai suhu yang lebih rendah; ini kemudian dikonfirmasi oleh eksperimen,” kata Dr Manel Bosch Aguilera, yang berkontribusi pada penelitian ini sebagai postdoctoral. peneliti. Dia dan rekan-rekannya berhasil mendinginkan membran hingga 480 mikrokelvin — kurang dari seperseribu derajat di atas suhu nol mutlak.

Pada langkah selanjutnya, para peneliti ingin meningkatkan eksperimen mereka sehingga membran mencapai suhu serendah mungkin—yaitu keadaan dasar mekanika kuantum dari osilasi membran. Selanjutnya, juga harus memungkinkan untuk membuat apa yang disebut keadaan terkompresi dari membran. Kasing ini sangat menarik untuk membangun sensor karena memungkinkan penskalaan yang lebih tinggi Ketepatan. Aplikasi yang mungkin untuk sensor tersebut termasuk mikroskop gaya atom, yang digunakan untuk memindai permukaan dengan resolusi nanometer.

Referensi: “Optical Coherent Feedback Control of a Mechanical Oscillator” Oleh Marise Ehrenser, Manel Bosch-Aguilera, Matteo Brunelli, Gian-Luca Schmid, Thomas M. Karge, Christoph Broder, Patrick B. Potts, dan Philip Treutlin 15 Mei 2023, Tersedia disini. * Review Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevX.13.021023