Einzelphotonen offenbaren Kristallquantennatur
Mikro- und nanomechanische Resonatoren haben viel Aufmerksamkeit als eine neue Klasse von Systemen erhalten, an denen die Quantentheorie getestet werden kann. Ein herausragendes Resonatorsystem ist eine optomechanische Kavität, wo der Strahlungsdruck des Lichts, das im Inneren der Kavität zirkuliert, verwendet wird, um mechanische Oszillatoren zu manipulieren und auszulesen. Es gibt zwei grundlegende Anforderungen, um die Quanteneigenschaften von Einzelphotonen auf makroskopische Geräte zu übertragen. Zum einen ist es notwendig, einen mechanischen Oszillator im Quantengrundzustand zu fahren, indem man diesen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlt. Zweitens, muss die Kraft zwischen dem mechanischen Resonator und dem Einzelphoton - die Kopplungskraft - hoch sein. Das durch die EU finanzierte Projekt OPTOMECH (Quantum opto-mechanics with photonic and phononic crystals) konzentrierte sich auf die Gestaltung und Optimierung von optomechanischen Systemen, insbesondere Kristallen. Optomechanische Kristalle übertreffen alle vorhandenen Vorrichtungen in Bezug auf die Kopplungskraft, wodurch sie ideale Kandidaten für die quantenoptomechanische Kopplung von Einzelphotonen sind. Durch die Kombination von Heliumkryostaten mit kontinuierlichem Fluss und dem Strahlungsdruck von einem Laser, gelang es den Wissenschaftlern die mechanische Bewegung einer optomechanischen Vorrichtung auf ihren Quantengrundzustand hinunter zu kühlen. Darüber hinaus ermöglichten verbesserte Kupplungssysteme einen Weg, um die passive Kühlung mit einem Heliumverdünnungskühler zu demonstrieren. Das Team verwendete neue Methoden, um einen Materialbereich eines nanomechanischen Resonators auf einem Lichtfeld durch Strahlungsdruck zu erfassen. Ein Einzelphotonendetektor ermöglichte es, die emittierten Photonen zu erfassen und verbesserte das Verständnis der Phonon-Statistik. Die Ergebnisse demonstrierten die Möglichkeit, dass Phono-Statistik Quantenzustände anzeigt. Bereits seit langen wurde die Verwendung von gepresstem Licht mit Quantenfluktuationen, die unter jenen des Vakuumfelds liegen, als Mittel zur Verringerung des optischen Ausleserauschens vorgeschlagen. Wissenschaftler generierten erfolgreich ein solches gequetschtes Licht durch kontinuierliche Messungen der mechanischen Oszillatorposition. OPTOMECH hat erfolgreich eine Reihe von Quantenexperimenten mit optomechanischen Systemen demonstriert. Solche Systeme, die durch Quanteneffekte bestimmt werden, können als außerordentlich empfindliche Quantensensoren oder für Quanteninformationsanwendungen genutzt werden.
Schlüsselbegriffe
Einzelphotonen, optomechanische Kopplung, Quantenverhalten, phononische Kristalle, Kristalle
