Epokowy skok w metodach pomiaru ruchów mechanicznych
Precyzyjne pomiary pozycji zajmują w fizyce poczesne miejsce — wiek temu debaty dotyczące hipotezy atomowej rozstrzygnięto poprzez dokładne obserwacje ruchów Browna. Odpowiedzi na pytania o równie fundamentalnym znaczeniu szukają obecnie badacze zajmujący się optomechaniką kwantową wnęk. Istniejąca zaledwie od dekady optomechanika wnęk to dziedzina zajmująca się wykorzystywaniem ciśnienia promieniowania, będącego w skali makroskopowej siłą niezauważalnie słabą, do mierzenia i kontrolowania oscylatorów nano- i mikromechanicznych. Układy takie pozwalają mierzyć ruchy mechaniczne z bezprecedensową dokładnością. Kluczowy wkład finansowanego ze środków UE projektu QCDOM w rozwój tej dziedziny polegał na stworzeniu optomechanicznego nanoukładu scalonego umożliwiające dokonywanie wyjątkowo precyzyjnych pomiarów. Układ składa się z mikrorezonatora optycznego, czyli urządzenia przetrzymującego światło przez dłuższy czas wewnątrz mikrometrowego układu scalonego, połączonego z mikroskopijnym oscylatorem nanomechanicznym — w uproszczeniu drgającą struną mechaniczną. "Efektywne sprzężenie oscylatora nanomechanicznego z polem wnęki optycznej pozwoliło nam uzyskać jeden z najdokładniejszych w historii pomiarów ruchu mechanicznego", wyjaśnia koordynator projektu, prof. Tobias Kippenberg z Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) w Szwajcarii. Uzyskany poziom czułości jest wystarczający do wyznaczenia równoważności fluktuacji kwantowo-mechanicznych oscylatora mechanicznego przed upływem czasu jego dekoherencji termicznej, czyli czasu, po którym stan kwantowy jest niszczony przez czynniki otoczenia. Pozwoliło to badaczom uzyskać wgląd w zjawiska kwantowe spowodowane samym faktem pomiaru. Osiągnięcie takich wyników przez zespół prof. Kippenberga było możliwe dzięki sprowadzeniu eksperta w dziedzinie optyki kwantowej, dr. D.J. Wilsona z renomowanego California Institute of Technology (Caltech) w Pasadenie w Stanach Zjednoczonych, czego dokonano dzięki stypendium z unijnego programu międzynarodowych stypendiów przyjazdowych Marii Skłodowskiej-Curie. Prace dwuletniego projektu zakończono z końcem listopada 2015 r., a wyniki zostały opublikowane w prestiżowym piśmie naukowym Nature. Możliwość dokonywania tak precyzyjnych pomiarów ruchu mechanicznego jest o tyle ciekawa, że dostarcza doświadczalnych dowodów na istnienie limitów dokładności pomiarów pozycji narzucanych przez prawa mechaniki kwantowej. Nie jest możliwe jednoczesne wyznaczenie pozycji i pędu oscylatora mechanicznego z dowolną precyzją. Powoduje to zauważalne w opisanych doświadczeniach kwantowe oddziaływanie zwrotne na proces pomiaru, które wynika z fundamentalnych zasad mechaniki kwantowej. Zastosowania praktyczne Choć wyniki projektu mają znaczenie przede wszystkim dla badań podstawowych, mogą też mieć implikacje praktyczne. Bardzo dokładne pomiary przemieszczeń są już używane w komercyjnych czujnikach układów mikro- i nanoelektromechanicznych (MEMS) do mierzenia przyspieszenia lub obrotu. Rezonatory piezomechaniczne są używane w telefonach komórkowych do filtrowania sygnałów na częstotliwościach radiowych, a mechaniczne oscylatory kwarcowe znalazły zastosowanie w zegarach i systemach nawigacji do samochodów i samolotów. Nanoczujniki optomechaniczne opracowane w ramach projektu QCDOM mogą też potencjalnie znaleźć inne zastosowania, takie jak precyzyjne mierzenie temperatury czy wzmacnianie słabych sygnałów na częstotliwościach radiowych. "Trzeba podkreślić, że w ciągu zaledwie 10 lat powstała zupełnie nowa metodologia pobudzania, odczytywania i kontrolowania oscylatorów mikro- i nanomechanicznych", mówi dr Kippenberg. "Już dotychczas przyniosło to ogromne postępy w doświadczalnej fizyce kwantowej, a tempo ogólnego postępu naukowego jest niewiarygodne. Badania doświadczalne prowadzone przez nas i inne zespoły wyraźnie wskazują na znaczny potencjał technologiczny takich układów opto- i elektromechanicznych". Zdolność coraz dokładniejszego mierzenia fundamentalnej cechy obiektu makroskopowego, jaką jest jego położenie, powinna w przyszłości umożliwić obserwowanie i weryfikowanie niezwykłych przewidywań wynikających z teorii kwantowej w niedostępnych dotychczas skalach wielkości. Więcej informacji można znaleźć w witrynie internetowej laboratorium koordynującego projekt.
Słowa kluczowe
QCDOM, optomechanika kwantowa wnęk, oscylatory nanomechaniczne, MEMS
