Precyzyjna kontrola optyczna kwantowych oscylatorów mechanicznych
Sprzężenie optomechaniczne, czyli sprzężenie między światłem a ruchem mechanicznym, umożliwia strojenie optyczne oscylatorów z dużą precyzją i wysoką częstotliwością. Celem finansowanego ze środków UE projektu USOM było uzyskanie wyjątkowo silnego sprzężenia optomechanicznego poprzez wykorzystanie ciśnienia promieniowania, aby zyskać możliwość kontrolowania oscylacji mechanicznych w skali kwantowej. Ponadto po raz pierwszy podjęto badania nad możliwościami wykorzystania w doświadczeniach i urządzenia optomechanicznych układów plazmonowych złożonych z pól elektromagnetycznych ograniczonych do objętości nanoskopowych. Zmniejszenie rozmiarów układu może spowodować wzmocnienie sprzężenia. Naukowcy posłużyli się modelowaniem elementów skończonych w celu zaprojektowania miniaturowych rezonatorów toroidalnych wykonanych z krzemionki. Rezonatory są podtrzymywane przez mikroskopijne "szprychy" i wyróżniają się bardzo małą masą i wyjątkowo niskimi stratami energii. W dwuwymiarowych kryształach fotonicznych wykonano wgłębienia, które pozwoliły uzyskać rekordowo silne sprzężenie między modami optycznymi wgłębień a ruchami modów akustycznych (oscylacjami mechanicznymi o wysokiej częstotliwości). Zastosowanie bardzo lekkiej konstrukcji podpartej na szprychach umożliwiło schłodzenie modu oscylatora metodą chłodzenia ciśnieniem promieniowania aż do kwantowego stanu podstawowego. Badaczom udało się ostatecznie uzyskać kontrolę optyczną nad stanem kwantowym ruchu oscylatora mechanicznego i zoptymalizować procesy optomechaniczne. Opracowany układ wykorzystano następnie w nowych protokołach doświadczeń kwantowych, które również zostały opracowane w ramach projektu. Połączenie stworzonych technik umożliwiło chłodzenie układów optomechanicznych do stanu kwantowego. Te nowatorskie metody pozwoliły ponadto kontrolować i odczytywać kwantowy stan ruchu oscylatorów mechanicznych. Drugim kierunkiem badań, który również zaowocował przełomowymi doświadczeniami, były badania możliwości zintegrowania rezonatora plazmonowego z oscylatorem nanomechanicznym. Rezonans plazmonowy to zjawisko oscylacji fal gęstości ładunku elektronów w bardzo ograniczonej przestrzeni. Naukowcy zastosowali rezonator plazmonowy jako przetwornik ruchów nanomechanicznych, co umożliwiło odczyt ruchów termicznych oscylatora. Projekt USOM odnotował pionierskie osiągnięcia w dziedzinie sprzężenia optomechanicznego i kontroli optycznej nad kwantowym stanem podstawowym ruchu oscylatorów. Technologie i techniki opracowane przez projekt będą nieocenione w tworzeniu nowatorskich urządzeń między innymi w dziedzinie wykrywania i przetwarzania sygnałów.
