Pomiar przepychania fotonów w nanodrucie
Optomechanika wnęk to obiecująca nowa dyscyplina zajmująca się badaniem interakcji między promieniowaniem elektromagnetycznym a ruchami nano- i mikromechanicznymi. Badacze manipulują fotonami za pomocą luster i rezonatorów mechanicznych w niewielkich instalacjach doświadczalnych, wykorzystując zjawisko ciśnienia promieniowania. Ciśnienie promieniowania można opisać jako siłę wywieraną na jednostkę powierzchni przez światło (fotony) czy też szerzej — ciśnienie wywierane na dowolną powierzchnię wystawioną na działanie promieniowania. Dzięki dofinansowaniu UE dla projektu "Quantum nano optomechanics" (QNAO) naukowcy dokonali pionierskich odkryć w tej młodej dziedzinie. Dowiedziono możliwości optycznego sondowania nanoskalowych ruchów oscylatorów krótszych od długości fali z czułością bliską standardowym limitom kwantowym. Wykorzystując nanorezonatory o ultraniskiej masie w eksperymencie wykonywanym w temperaturze pokojowej, dokonano pomiarów siły z czułością liczoną w attoniutonach (1x10-18 niutona). Kwantowe oddziaływanie zwrotne stanowi kwantowy odpowiednik trzeciego prawa dynamiki Newtona, zgodnie z którym każde działanie wywołuje takie samo działanie przeciwne. Naukowcy zaobserwowali optyczne oddziaływanie zwrotne wiązki światła na nanorezonator, wskazujące na występowanie silnego sprzężenia między rodzajami drgań rezonatora. W odrębnych doświadczeniach naukowcy badali odwrotność tego samego zjawiska, wykorzystując pionierski hybrydowy układ spinowo-nanomechaniczny. Badacze umieścili pojedynczy kubit z luką azotową (diamentowy układ modelowy używany do badania zjawisk związanych ze spinem elektronów) na końcu swobodnie wiszącego nanodrutu. Nanodrut pełnił w tym przypadku rolę nanorezonatora. Wykorzystując spektroskopię spinową w całkowicie nowym układzie doświadczalnym, naukowcy wykazali, że ruch nanodrutu jest odciskany na stanie spinowym. Zainicjowano nowy kierunek badań przy automatycznym dopasowywaniu spinu do stanu rezonatora, co otwiera drogę do opracowania jeszcze bardziej zaawansowanych metod pomiarowych w układach hybrydowych. Metody badawcze wykorzystujące optomechanikę luk mogą posłużyć do weryfikowania fundamentalnych hipotez dotyczących interakcji między światłem a materią, w tym teorii grawitacji. Nowe metody otwierają też drogę do licznych zastosowań praktycznych w bliższej i bardziej odległej przyszłości, w tym zastosować z zakresu ultraczułych czujników przyspieszenia i siły, oscylatorów mikrofalowych, technik przetwarzania sygnałów optycznych i fotoniki krzemowej. Pionierskie eksperymenty projektu QNAO wniosły cenny wkład w rozwój ważnej dziedziny badań.
Słowa kluczowe
Fotony, nanodrut, kwantowy, sprzężenie, optomechanika wnęk, ciśnienie promieniowania, nanorezonator, oddziaływanie zwrotne, splątanie, kubit, spektroskopia spinowa
