Pojedyncze fotony ujawniają kwantową naturę kryształów
Wiele uwagi poświęcono mikrorezonatorom i rezonatorom nanomechanicznym, postrzeganym jako nowej klasy układy, w których można testować teorię kwantową. Jednym z układów rezonatorów o szczególnym znaczeniu jest wnęka optomechaniczna, w której ciśnienie promieniowania światła krążącego w jej wnętrzu wykorzystywane jest do wzbudzania oscylatorów mechanicznych oraz do ich obserwacji. Przeniesienie właściwości kwantowych pojedynczych fotonów na urządzenia makroskopowe wymaga spełnienia dwóch podstawowych wymagań. Po pierwsze, należy wprowadzić oscylator optomechaniczny w kwantowy stan podstawowy, schładzając go do temperatury bliskiej zera absolutnego. Po drugie, oddziaływanie między rezonatorem mechanicznym a pojedynczym fotonem, czyli siła sprzężenia, musi mieć dużą wartość. W ramach finansowanego ze środków UE projektu OPTOMECH (Quantum opto-mechanics with photonic and phononic crystals) skupiono się na opracowywaniu i optymalizacji układów optomechanicznych, w szczególności opierających się na kryształach. Kryształy optomechaniczne osiągają znacznie lepsze wyniki w kwestii siły sprzężenia niż inne dostępne obecnie urządzenia, dzięki czemu idealnie nadają się do kwantowych optomechanicznych sprzężeń z pojedynczymi fotonami. Dzięki zastosowaniu ciągłych strumieni kriostatów helowych w połączeniu z ciśnieniem promieniowania z lasera, naukowcom udało się obniżyć ciepło generowane poprzez ruch mechaniczny urządzenia optomechanicznego, sprowadzając je do kwantowego stanu podstawowego. Ponadto usprawnione schematy sprzężenia umożliwiły przedstawienie pasywnego chłodzenia przy wykorzystaniu helowej chłodziarki rozcieńczalnikowej. Zespół zastosował nowatorskie metody do mapowania obszaru materialnego rezonatora nanomechanicznego w polu świetlnym, wykorzystując ciśnienie promieniowania. Detektor pojedynczych fotonów umożliwił wykrywanie emitowanych fotonów oraz poszerzenie wiedzy w obszarze statystyki fononów. Wyniki pokazały, że statystka fononów może potencjalnie wykazywać stany kwantowe. Wykorzystanie ściśniętego światła o fluktuacjach kwantowych poniżej poziomu fluktuacji pola próżni jako sposobu na redukcję zakłóceń odczytów optycznych było proponowane od dawna. Naukowcom udało się wygenerować tego typu ściśnięte światło przy pomocy ciągłych pomiarów pozycji oscylatora mechanicznego. W ramach projektu OPTOMECH udało się zademonstrować szereg eksperymentów kwantowych z wykorzystaniem układów optomechanicznych. Tego typu układy, które regulowane są zjawiskami kwantowymi, mogą posłużyć jako niezwykle precyzyjne czujniki kwantowe lub mogą zostać wykorzystane w zastosowaniach z obszaru informacji kwantowej.
Słowa kluczowe
Pojedyncze fotony, sprzężenie optomechaniczne, zachowania kwantowe, kryształy fononiczne, kryształy
