科学家用激光将小面积膜冷却至绝对零度，用于高灵敏传感器

2023-06-28 16:34

近日，巴塞尔大学的研究人员宣布成功开发出一种新方法，这一方法能够仅使用激光就将小面积的薄膜冷却到非常接近绝对零度（零下273．15摄氏度）的温度。据介绍，这种高度冷却的膜，未来或将用于极其敏感的传感器。

德国天文学家Johannes Kepler在400年前就提出了太阳帆的想法，它是利用太阳光的光压进行宇宙航行的一种航天器，可以用来让船只在太空中航行。他认为，当光被物体反射时，就会施加一个力。他还利用这一理论，解释了为什么彗星的尾巴会指向远离太阳的地方。

该团队由Philipp Treutlein博士和Patrick Potts博士领导。他们的研究结果最近刚刚发表在科学杂志Physical Review X上。

无测量反馈

如今，原子和其他粒子的减速和冷却都是利用光的力量。为此通常需要一种复杂的仪器。上述团队的方法的特别之处在于，他们在不进行任何测量的情况下实现了这种冷却效果。

根据量子力学定律，反馈回路常常需要的测量过程会导致量子态改变，从而引起干扰。为了防止这种情况发生，巴塞尔大学的研究人员创造了一个被称为“相干反馈回路”的系统，在这个系统中，激光既充当传感器，又充当阻尼器。

他们通过抑制和冷却大约半毫米大小的硝酸硅膜的热振动来实现这一目标。在他们的实验中，研究人员将激光束对准薄膜，并将薄膜反射的光送入光纤电缆。在此操作期间，膜的振动在反射光的振荡阶段产生了小的变化。

振荡相位中包含的膜的即时运动状态的信息，然后被利用，有一个时间延迟，在适当的时刻使用相同的激光对膜施加适量的力。研究人员使用了一根30米长的光纤电缆，来实现了大约100纳秒的最佳延迟。

接近绝对零度

瑞士巴塞尔大学博士后研究员和他的同事们将膜冷却到480微开尔文，也就是比绝对零度高不到千分之一度。

下一阶段他们将改进实验，使膜达到其振荡的量子力学基态——这是可以达到的最低温度。所谓的膜挤压态的产生，应该是可以想象的。

由于它们能够提高测量精度，这种状态对于传感器结构特别有意义。未来，用于以纳米分辨率扫描表面的原子力显微镜，将成为这种传感器的一个潜在应用。

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