用激光冷却膜的新技术

巴塞尔大学的研究人员利用新技术，仅使用激光就成功地将小薄膜冷却至接近绝对零的温度。例如，这种极度冷却的薄膜可以在高灵敏度传感器中找到应用。

早在400年前，德国天文学家约翰尼斯·开普勒就提出了太阳帆的想法，可以让船只在宇宙中航行。他怀疑光被物体反射时会产生力。这个概念也让他能够解释为什么彗星的尾巴指向远离太阳的方向。

如今，科学家们利用光力等来减慢和冷却原子和其他粒子。通常，需要一种复杂的装置来完成此操作。由 Philipp Treutlein 教授和 Patrick Potts 教授领导的巴塞尔大学研究小组现已成功将极薄的薄膜冷却至接近零度(-273.15 摄氏度)的温度但激光。他们最近在科学杂志《Physical Review X》上发表了他们的研究结果。

无需测量即可反馈

“我们的方法的特别之处在于，我们无需进行任何测量即可实现这种冷却效果”，博士生、该研究论文的第一作者、物理学家 Maryse Ernzer 说道。根据量子力学定律，反馈环路中通常需要的测量会导致量子态的变化，从而导致干扰。为了避免这种情况，巴塞尔科学家开发了一种所谓的相干反馈环路，其中激光既充当传感器又充当阻尼器。通过这种方式，他们抑制并冷却了尺寸约为半毫米的硝酸硅薄膜的热振动。

在他们的实验中，研究人员将激光束照射到薄膜上，并将薄膜反射的光输入光纤电缆中。在此过程中，膜的振动导致反射光的振荡相位发生微小变化。然后，使用该振荡阶段中包含的膜的瞬时运动状态的信息，并有一定的时间延迟，以便在正确的时刻用相同的激光对膜施加适量的力。“这有点像通过在适当的时间用脚短暂接触地面来减慢挥杆速度”，Ernzer 解释道。为了实现约 100 纳秒的最佳延迟，研究人员使用了 30 米长的光缆。

接近绝对零

“波茨教授和他的合作者对新技术进行了理论描述，并计算了我们期望达到最低温度的设置;随后的实验证实了这一点”，作为博士后参与这项研究的 Manel Bosch Aguilera 博士说道。他和他的同事能够将膜冷却至 480 微开尔文——比绝对零温度高出不到千分之一度。

下一步，研究人员希望改进他们的实验，使膜达到尽可能低的温度——即膜振荡的量子力学基态。之后，还应该可以创建所谓的膜的挤压状态。这种状态对于构建传感器特别有趣，因为它们可以实现更高的测量精度。此类传感器的可能应用包括原子力显微镜，用于以纳米分辨率扫描表面。

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