Команда, сформированная Лукасом Новотны (Цюрих), Маркусом Аспельмейером (Вена), Ориолем Ромеро-Изартом (Инсбрук) и Романом Квидантом (Цюрих), пытается ответить именно на этот вопрос в рамках проекта ERC-Synergy Q-Xtreme. Решающим шагом на пути к этой цели является максимальное уменьшение энергии, запасаемой при движении наночастицы, то есть охлаждение частицы до так называемого квантового основного состояния.

Контроль над всеми измерениями перемещения

Команда Q-Xtreme уже долгое время совместно работает над охлаждением наночастиц в основном состоянии. Несколько экспериментов в Цюрихе и Вене, подкрепленных теоретическими расчетами доктора Гонсалеса-Баллестеро и проф. Ромеро-Изарт из Университета Инсбрука привели к первым демонстрациям такого охлаждения наночастицы в основном состоянии, либо путем гашения движения частицы с помощью электронного управления (активная обратная связь), либо путем помещения частицы между двумя зеркалами (охлаждение на основе резонатора). До сих пор в экспериментах основное состояние достигалось только вдоль одного из трех направлений движения частиц, оставляя движение вдоль двух других направлений "горячим".

"Достижение охлаждения основного состояния более чем в одном направлении является ключевым для изучения новой квантовой физики", - подчеркивает Гонсалес-Баллестеро из Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук и кафедры теоретической физики Университета Инсбрука. "Но до сих пор это достижение оставалось недостижимым, поскольку было сложно заставить зеркала, между которыми расположена частица, эффективно взаимодействовать с движением в некоторых из трех направлений", - так называемый "Эффект темного режима" препятствовал охлаждению до полного основного состояния.

С разной частотой по направлению к цели

Теперь исследованиям в Лаборатории фотоники Цюрихского технологического института впервые удалось добиться охлаждения наночастицы в основном состоянии по двум направлениям движения. Стеклянная сфера, примерно в тысячу раз меньшая, чем песчинка, полностью изолирована от окружающей среды в высоком вакууме и удерживается сильно сфокусированным лазерным лучом, одновременно охлаждаясь почти до абсолютного нуля. Основываясь на теоретических предсказаниях команды из Инсбрука, швейцарские физики смогли обойти проблему темного состояния. "Чтобы сделать это, мы разработали частоты, на которых частица колеблется в двух направлениях по-разному, и тщательно отрегулировали поляризацию лазерного излучения", - говорит Лукас Новотны из ETH Zurich.

Работа, опубликованная в Физика природы, демонстрирует, что возможно достичь минимального энергетического состояния для трех направлений движения. Это также позволяет создавать хрупкие квантовые состояния в двух направлениях, которые могут быть использованы для создания сверхчувствительных гироскопов и датчиков.

Исследование было финансово поддержано, среди прочего, Европейским исследовательским советом ERC и Европейским союзом.