清華大學(xué)物理系在腔光力學(xué)系統(tǒng)中提出新的基態(tài)冷卻方法

清華新聞網(wǎng)10月21日電 近日，清華大學(xué)物理系劉永椿副教授、鄭盟錕副教授、尤力教授研究團(tuán)隊(duì)提出將機(jī)械振子冷卻到量子基態(tài)的新方法，能夠用于實(shí)現(xiàn)宏觀(guān)大質(zhì)量振動(dòng)物體的基態(tài)冷卻，研究成果以《腔內(nèi)壓縮光力冷卻》(Intracavity squeezed optomechanical cooling)為題發(fā)表在《激光與光子學(xué)評(píng)論》(Laser & Photonics Review)上。

近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，激光冷卻技術(shù)的發(fā)展對(duì)原子物理學(xué)產(chǎn)生了革命性的影響。近年來(lái)，對(duì)包含大量原子的宏觀(guān)機(jī)械振子的激光冷卻研究成為了非常重要的前沿課題，這方面的研究在量子信息處理、量子精密測(cè)量和基礎(chǔ)量子理論檢驗(yàn)方面都有重要的應(yīng)用。 

圖1.方案模型圖，利用腔內(nèi)壓縮光力系統(tǒng)對(duì)機(jī)械振子進(jìn)行基態(tài)冷卻

由于光與機(jī)械振子相互作用過(guò)程中存在量子反作用，傳統(tǒng)的邊帶冷卻方法受限于量子反作用極限，導(dǎo)致基態(tài)冷卻只能在邊帶可分辨條件下實(shí)現(xiàn)，即要求機(jī)械振動(dòng)頻率大于光學(xué)腔的耗散速率。然而宏觀(guān)機(jī)械振子振動(dòng)頻率通常較低，而且振子質(zhì)量或尺寸越大其振動(dòng)頻率越低，因此難于滿(mǎn)足邊帶可分辨條件，利用邊帶冷卻方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)基態(tài)冷卻。

針對(duì)上述難題，研究團(tuán)隊(duì)提出利用腔內(nèi)壓縮的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)振子的基態(tài)冷卻。利用具有腔內(nèi)壓縮效應(yīng)的光學(xué)腔，在腔內(nèi)部產(chǎn)生壓縮態(tài)光場(chǎng)，利用量子干涉效應(yīng)，將所有通道的耗散引起的噪聲在腔內(nèi)發(fā)生干涉，從而消除量子反作用引起的加熱效應(yīng)。通過(guò)壓縮泵浦光場(chǎng)與冷卻光場(chǎng)振幅和相位的匹配，由耗散導(dǎo)致的加熱效應(yīng)安全被抑制，使得凈冷卻速率大大提高，且冷卻極限大幅降低，完全突破了量子反作用極限。

通過(guò)與邊帶冷卻方法(SB)和壓縮光驅(qū)動(dòng)冷卻方法(SD)進(jìn)行比較，可看出研究團(tuán)隊(duì)提出的腔內(nèi)壓縮冷卻方法(IS)具有最低的冷卻極限，該冷卻極限完全不受光學(xué)腔耗散的影響，即使在邊帶遠(yuǎn)不可分辨條件下, 仍然能夠?qū)崿F(xiàn)基態(tài)冷卻。該研究為實(shí)現(xiàn)宏觀(guān)大質(zhì)量機(jī)械振子的基態(tài)冷卻奠定了基礎(chǔ)。 

圖2. 三種方法的冷卻極限與光學(xué)腔耗散的關(guān)系

文章第一作者為清華大學(xué)物理系博士后甘晶輝，通訊作者為劉永椿副教授，合作者還包括北京理工大學(xué)物理學(xué)院的路翠翠研究員。該研究工作得到了基金委、科技部項(xiàng)目的資助。

《激光與光子學(xué)評(píng)論》是國(guó)際上光學(xué)領(lǐng)域頂尖期刊之一，該期刊為月刊，每期只發(fā)表5-8篇論文，年發(fā)文量不到100篇，影響因子為9.056。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1002/lpor.201900120

供稿：物理系

編輯：李華山

審核：呂   婷