Seni konseptual perangkat pengoperasian, terdiri dari drum bermuatan nanopilar yang diapit oleh dua cermin yang disegmentasi secara berkala, memungkinkan sinar laser berinteraksi kuat dengan kuantum drum secara mekanis pada suhu kamar. Kredit: EPFL & Studio Second Bay
Para peneliti di EPFL telah mencapai tonggak sejarah dalam mekanika kuantum dengan mengendalikan fenomena kuantum pada suhu kamar, mengatasi hambatan lama yang memerlukan suhu dingin ekstrem. Hal ini membuka kemungkinan baru untuk penerapan teknologi kuantum dan studi sistem kuantum makroskopis.
Dalam bidang mekanika kuantum, kemampuan untuk mengamati dan mengendalikan fenomena kuantum pada suhu kamar sudah lama sulit dipahami, terutama pada skala besar atau “makroskopis”. Secara tradisional, pengamatan semacam itu terbatas pada lingkungan sekitar nol mutlakdi mana efek kuantum lebih mudah dideteksi. Namun, persyaratan suhu dingin ekstrem telah menjadi rintangan besar, sehingga membatasi penerapan praktis teknologi kuantum.
Studi Perintis di EPFL
Kini, sebuah penelitian yang dipimpin oleh Tobias J. Kippenberg dan Nils Johan Engelsen di EPFL, mendefinisikan ulang batasan dari apa yang mungkin terjadi. Karya perintis ini memadukan fisika kuantum dan teknik mesin untuk mencapai pengendalian fenomena kuantum pada suhu kamar.
“Mencapai sistem optomekanik kuantum suhu ruangan telah menjadi tantangan terbuka selama beberapa dekade,” kata Kippenberg. “Pekerjaan kami mewujudkan mikroskop Heisenberg secara efektif – yang selama ini dianggap hanya sebagai model mainan teoretis.”
Dalam pengaturan eksperimental mereka, yang diterbitkan hari ini (14 Februari) di Alampara peneliti menciptakan sistem optomekanis dengan kebisingan sangat rendah – sebuah pengaturan di mana cahaya dan gerakan mekanis saling berhubungan, memungkinkan mereka mempelajari dan memanipulasi bagaimana cahaya memengaruhi objek bergerak dengan presisi tinggi.
Rongga seperti kristal bercermin dengan drum di tengahnya. Kredit: Guanhao Huang/EPFL
Masalah utama pada suhu ruangan adalah kebisingan termal, yang mengganggu dinamika kuantum yang rumit. Untuk meminimalkan hal tersebut, para ilmuwan menggunakan cermin rongga, yaitu cermin khusus yang memantulkan cahaya bolak-balik di dalam ruang terbatas (rongga), yang secara efektif “menjebak” cahaya tersebut dan meningkatkan interaksinya dengan elemen mekanis dalam sistem. Untuk mengurangi kebisingan termal, cermin dipola dengan struktur periodik (“kristal fononik”) seperti kristal.
Pengaturan Eksperimental yang Inovatif
Komponen penting lainnya adalah perangkat mirip drum berukuran 4 mm yang disebut osilator mekanis, yang berinteraksi dengan cahaya di dalam rongga. Ukuran dan desainnya yang relatif besar adalah kunci untuk mengisolasinya dari kebisingan lingkungan, sehingga memungkinkan untuk mendeteksi fenomena kuantum halus pada suhu kamar. “Drum yang kami gunakan dalam eksperimen ini adalah puncak dari upaya bertahun-tahun untuk menciptakan osilator mekanis yang terisolasi dengan baik dari lingkungan,” kata Engelsen.
“Teknik yang kami gunakan untuk menangani sumber kebisingan yang terkenal dan kompleks memiliki relevansi tinggi dan berdampak pada komunitas penginderaan dan pengukuran presisi yang lebih luas,” kata Guanhao Huang, salah satu dari dua mahasiswa PhD yang memimpin proyek ini.
Pengaturan ini memungkinkan para peneliti untuk mencapai “optical squeezing”, sebuah fenomena kuantum di mana sifat-sifat cahaya tertentu, seperti intensitas atau fasenya, dimanipulasi untuk mengurangi fluktuasi dalam satu variabel dengan mengorbankan peningkatan fluktuasi pada variabel lainnya, seperti yang didiktekan oleh Heisenberg. prinsip.
Dengan mendemonstrasikan tekanan optik pada suhu kamar di sistem mereka, para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat secara efektif mengontrol dan mengamati fenomena kuantum dalam sistem makroskopis tanpa memerlukan suhu yang sangat rendah. Bentuk Atas
Tim percaya bahwa kemampuan untuk mengoperasikan sistem pada suhu kamar akan memperluas akses ke sistem optomekanis kuantum, yang merupakan tempat pengujian untuk pengukuran kuantum dan mekanika kuantum pada skala makroskopis.
“Sistem yang kami kembangkan mungkin memfasilitasi sistem kuantum hibrid baru di mana drum mekanis berinteraksi secara kuat dengan objek berbeda, seperti awan atom yang terperangkap,” tambah Alberto Beccari, mahasiswa PhD lainnya yang memimpin penelitian ini. “Sistem ini berguna untuk informasi kuantum, dan membantu kita memahami cara menciptakan keadaan kuantum yang besar dan kompleks.”
Referensi: “Optomekanik kuantum suhu ruangan menggunakan rongga kebisingan sangat rendah” 14 Februari 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-023-06997-3
