روشی نوین برای افزایش دقت لیزرها در دمای اتاق
فیزیکدانان دانشگاه MIT یک “افشرده ساز نوری[۱]” کوانتومی را طراحی کرده اند که باعث کاهش ۱۵ درصدی نویز کوانتومی در پرتوهای لیزر می شود. این اولین سیستم در نوع خود است که می تواند در دمای اتاق کار کند و این امر، آن را به یک مجموعه کوچک و قابل حمل تبدیل کرده است که می تواند در آزمایش های با دقت بالا، برای بهبود اندازه گیری های لیزری در جایی که نویز کوانتومی یک عامل محدود کننده است، مورد استفاده قرار گیرد.
بخش اصلی افشرده ساز جدید، یک کاواک نوری به اندازه تیله است که در یک محفظه خلاء قرار دارد و دو آینه دارد که یکی از آنها از قطر تار موی انسان کوچکتر است. آینه بزرگتر ثابت و دیگری که متحرک است، توسط یک طناب فنری شکل معلق است.
شکل ظاهری و طراحی آینه “نانو مکانیکی” دوم، کلید توانمندی سیستم برای کار در دمای اتاق است. وقتی یک پرتو لیزر وارد کاواک می شود، بین دو آینه رفت و برگشت می کند. نیرویی که توسط نور منتقل می شود، سبب حرکت آینه نانومکانیکی به جلو و عقب می شود، به شکلی که به محققین اجازه می دهد تا چیدمان سیستم را طوری مهندسی کنند که نور خارج شده از کاواک خاصیت های کوانتومی ویژه ای را دارا باشد.
نور لیزر خارج شده از سیستم در حالت فشرده، به گونه ای است که می تواند برای اندازه گیری دقیقی مانند محاسبات کوانتومی، رمزنگاری و تشخیص امواج گرانشی مورد استفاده قرار گیرد.
نتایج این تحقیق با اهمیت است، زیرا دانشمندان را قادر می سازد این سیستم های مکانیکی را طوری طراحی کنند تا در دمای اتاق همچنان بتوانند از خصوصیات مکانیک کوانتومی برخوردار باشند. این تیم نتایج خود را در مجله Nature Physics منتشر کرده است.
لیزر حاوی تعداد زیادی فوتون است که جریان آنها سبب ایجاد یک پرتوی روشن و متمرکز از نور می شود. اما در میان این جریان مرتب فوتون‌ها، مقدار کمی حرکت تصادفی به شکل نوسانات کوانتومی نیز وجود دارد، که در فیزیک به عنوان “نوفه پرتابه ای[۲]” شناخته می شود.
به عنوان مثال، تعداد فوتون های موجود در لیزر که در یک زمان معین به آشکارساز می رسند می تواند حول و حوش یک مقدار میانگین در نوسان باشند، که پیش بینی آن دشوار است. به همین ترتیب، بسته به فاز فوتون‌ها، زمانی هم که یک فوتون به یک آشکارساز می رسد، می تواند اطراف یک مقدار میانگین روی محور زمان نوسان داشته باشد.
هر دو این مقادیر (تعداد و زمان رسیدن فوتون های لیزر) تعیین می کنند که چگونه محققین می توانند اندازه گیری های لیزری را تفسیر کنند. اما با توجه به اصل عدم قطعیت هایزنبرگ که یکی از اصول اساسی مکانیک کوانتوم است، نمی توان همزمان، موقعیت (یا زمان بندی) و همچنین تکانه (یا تعداد) ذرات را با قطعیت مطلق اندازه گیری کرد.
دانشمندان برای غلبه بر این محدودیت فیزیکی، از افشرده سازی کوانتومی استفاده می کنند. نظریه عدم قطعیت در خواص کوانتومی لیزر (در این مورد تعداد و زمان فوتون ها) می تواند به شکل نظریه دایره بیان شود. اگر یک دایره کامل، نماد عدم قطعیت برابر در هر دو ویژگی باشد، بیضی (به عنوان یک دایره فشرده) بسته به نوع دایره و نسبت عدم قطعیت در خصوصیات کوانتومی لیزر، یک عدم قطعیت کمتر را برای یک خاصیت و عدم قطعیت بیشتر را برای دیگری نشان می دهد.
یکی از راه هایی که محققین برای افشرده سازی کوانتومی استفاده می کنند، طراحی سیستم های اپتومکانیکی است. این سیستم ها از قطعاتی همچون آینه ها بهره می گیرند و طوری طراحی شده اند که می توانند با ورود نور لیزر، حرکت کوچکی داشته باشند. آینه به دلیل نیرویی که توسط فوتون‌ها به آن وارد می شود، حرکت می کند. این نیرو متناسب با تعداد فوتون هایی است که در یک زمان معین به آینه برخورد می کنند. فاصله ای که آینه در آن زمان معین جابجا می شود، به زمان رسیدن فوتون‌ها به آینه بستگی دارد.
البته دانشمندان نمی توانند تعداد و زمان رسیدن دقیق فوتون‌ها در یک بازه زمانی معین را بدانند، اما با کمک این سیستم افشرده سازی می توانند ارتباطی بین دو خاصیت کوانتومی برقرار کنند و از این طریق عدم قطعیت و به طور کلی نویز کوانتومی لیزر را کاهش دهند.
تاکنون افشرده سازی های اپتومکانیکی در مجموعه های بزرگی که باید در فریزرهای کرایوژنیک قرار بگیرند ایجاد شده بودند. به این دلیل که حتی در دمای اتاق، انرژی حرارتی موجود در محیط نیز برای تأثیر بر قسمتهای متحرک سیستم و ایجاد نویزهای کوانتومی کافی بوده و محققین را وادار می کرد برای محافظت در برابر نویزهای گرمایی، سیستم ها را تا حدود ۱۰ درجه کلوین یا ۴۴۰- درجه فارنهایت خنک کنند.
افشرده سازی نور
این تیم به دنبال طراحی یک سیستم اپتومکانیکی با یک آینه متحرک ساخته شده از موادی بودند که ذاتاً انرژی حرارتی بسیار کمی را به خود جذب کند، به طوری که دیگر نیازی به خنک سازی سیستم از خارج نداشته باشند. آنها در نهایت موفق به ساخت آینه ای بسیار کوچک، با عرض ۷۰ میکرون از لایه های متناوب گالیوم آرسنید و آلومینیوم گالیوم آرسنید شدند. هر دو ماده کریستالی با ساختار اتمی بسیار مرتب خود، مانع هدر رفتن هرگونه گرمای ورودی می شوند.
مواد با چیدمان اتمی نامرتب به راحتی می توانند انرژی خود را از دست دهند زیرا مکان های زیادی وجود دارد که الکترونها می توانند در آنجا به صورت تصادفی دچار برخورد شوند و حرارت ایجاد کنند. هرچه ماده ای از نظر چیدمان اتمی مرتبتر و خالصتر باشد، مکان های کمتری برای از دست دادن یا از بین رفتن انرژی در آن وجود خواهد داشت.
دانشمندان این آینه چند لایه را با یک فنر کوچک به طول ۵۵ میکرون به حالت تعلیق درآوردند. فنر و آینه چند لایه طوری طراحی شده اند که حداقل انرژی حرارتی را به خود جذب کنند. آینه متحرک و فنر با یک آینه ثابت در یک کاواک قرار داده شده اند.
با این روش افشرده سازی جدید، محققین توانستند نوسانات کوانتومی در تعدادی از فوتون‌ها را نسبت به زمان بندی آنها مشخص کنند. این نتیجه ناشی از برخورد لیزر به هر دو آینه و بازتاب از جفت آنها است. این ویژگی به محققین اجازه داد تا نویز کوانتومی لیزر را ۱۵ درصد کاهش دهند و یک افشرده ساز نوری دقیقتر تولید کنند. این گروه در نظر دارد که سیستم را با هر طول موجی از نور لیزر راه اندازی کند.
Sources: https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200707113217.htm
https://www.nsf.gov/discoveries/disc_summ.jsp?cntn_id=300886
[۱] Light Squeezer
[۲] Shot Noise