Forskere bruger laser til at afkøle et lille filmområde til det absolutte nulpunkt for meget følsomme sensorer

For nylig annoncerede forskere ved universitetet i Basel den succesrige udvikling af en ny metode, der kan afkøle små filmområder til temperaturer meget tæt på det absolutte nulpunkt (minus 273,15 grader Celsius) ved hjælp af kun en laser. Denne stærkt afkølede film kan ifølge rapporten blive brugt i fremtiden til ekstremt følsomme sensorer.
Den tyske astronom Johannes Kepler kom på ideen om et solsejl for 400 år siden, som er et rumfartøj, der bruger sollysets lystryk til kosmisk navigation og kan bruges til at give skibe mulighed for at navigere gennem rummet. Han mente, at når lys reflekteres af en genstand, udøves en kraft. Han brugte også denne teori til at forklare, hvorfor komethalerne peger væk fra solen.
Holdet blev ledet af Dr. Philipp Treutlein og Dr. Patrick Potts. Deres resultater blev netop offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Physical Review X.
Ingen målefeedback
I dag bliver atomer og andre partikler bremset og afkølet ved hjælp af lysets kraft. Et sofistikeret instrument er normalt påkrævet til dette formål. Det særlige ved ovennævnte teams tilgang er, at de opnår denne køleeffekt uden at foretage nogen målinger.
Ifølge kvantemekanikkens love kræver feedback-sløjfer ofte måleprocesser, der kan føre til ændringer i kvantetilstande og dermed forårsage forstyrrelser. For at forhindre dette har forskerne ved universitetet i Basel skabt et system kaldet en "kohærent feedback loop", hvor laseren fungerer som både en sensor og en dæmper.
De opnåede dette ved at undertrykke og afkøle de termiske vibrationer af en siliciumnitratfilm omkring en halv millimeter stor. I deres eksperimenter rettede forskerne laserstrålen mod filmen og førte lyset, der blev reflekteret fra filmen, ind i et fiberoptisk kabel. Under denne operation frembragte membranens vibration små ændringer i oscillationsfasen af ​​det reflekterede lys.
Informationen om den umiddelbare bevægelsestilstand af membranen indeholdt i oscillationsfasen blev derefter brugt med en tidsforsinkelse til at påføre den rigtige mængde kraft på membranen i det rigtige øjeblik ved hjælp af den samme laser. Forskerne brugte et 30-meter langt fiberoptisk kabel til at opnå en optimal forsinkelse på omkring 100 nanosekunder.
Nærmer sig det absolutte nul
Postdoc-forskeren og hans kolleger ved universitetet i Basel i Schweiz afkølede membranen til 480 mikrokelvin, eller mindre end en tusindedel af en grad over det absolutte nulpunkt.
I næste fase vil de forfine eksperimentet for at bringe membranen til sin oscillerende kvantemekaniske grundtilstand - den lavest opnåelige temperatur. Skabelsen af ​​membranens såkaldte klemte tilstande burde være tænkelig.
Sådanne tilstande er af særlig interesse for sensorstrukturer på grund af deres evne til at forbedre målenøjagtigheden. I fremtiden vil atomkraftmikroskopi til scanning af overflader ved nanometeropløsning være en potentiel anvendelse for sådanne sensorer.