Forskare använder laser för att kyla ett litet filmområde till absolut noll för mycket känsliga sensorer

Nyligen tillkännagav forskare vid universitetet i Basel den framgångsrika utvecklingen av en ny metod som kan kyla små filmområden till temperaturer mycket nära absoluta nollpunkten (minus 273,15 grader Celsius) med enbart laser. Denna mycket kylda film, enligt rapporten, kan komma att användas i framtiden för extremt känsliga sensorer.
Den tyske astronomen Johannes Kepler kom på idén om ett solsegel för 400 år sedan, som är en rymdfarkost som använder solljusets ljustryck för kosmisk navigering och som kan användas för att tillåta fartyg att navigera genom rymden. Han trodde att när ljus reflekteras av ett föremål utövas en kraft. Han använde också denna teori för att förklara varför kometernas svansar pekar bort från solen.
Teamet leddes av Dr Philipp Treutlein och Dr Patrick Potts. Deras resultat publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Physical Review X.
Ingen mätfeedback
Idag bromsas och kyls atomer och andra partiklar med hjälp av ljusets kraft. Ett sofistikerat instrument krävs vanligtvis för detta ändamål. Det speciella med ovan nämnda teams tillvägagångssätt är att de uppnår denna kyleffekt utan att göra några mätningar.
Enligt kvantmekanikens lagar kräver återkopplingsslingor ofta mätprocesser som kan leda till förändringar i kvanttillstånd och därmed orsaka störningar. För att förhindra detta skapade forskarna vid universitetet i Basel ett system som kallas en "koherent återkopplingsslinga" där lasern fungerar som både en sensor och en dämpare.
De uppnådde detta genom att undertrycka och kyla de termiska vibrationerna från en kiselnitratfilm som är cirka en halv millimeter stor. I sina experiment riktade forskarna laserstrålen mot filmen och matade ljuset som reflekterades från filmen in i en fiberoptisk kabel. Under denna operation producerade membranets vibration små förändringar i svängningsfasen för det reflekterade ljuset.
Informationen om det omedelbara rörelsetillståndet hos membranet som fanns i svängningsfasen användes sedan, med en tidsfördröjning, för att applicera rätt mängd kraft på membranet i rätt ögonblick med samma laser. Forskarna använde en 30-meter lång fiberoptisk kabel för att uppnå en optimal fördröjning på cirka 100 nanosekunder.
Närmar sig absolut noll
Den postdoktorala forskaren och hans kollegor vid universitetet i Basel i Schweiz kylde membranet till 480 mikrokelvin, eller mindre än en tusendels grad över absolut noll.
I nästa steg kommer de att förfina experimentet för att föra membranet till dess oscillerande kvantmekaniska grundtillstånd - den lägsta temperatur som kan uppnås. Skapandet av membranets så kallade pressade tillstånd borde vara tänkbart.
Sådana tillstånd är av särskilt intresse för sensorstrukturer på grund av deras förmåga att förbättra mätnoggrannheten. I framtiden kommer atomkraftsmikroskopi för att skanna ytor med nanometerupplösning vara en potentiell tillämpning för sådana sensorer.