LIGOコラボレーションは、フィードバックシステムを介してミラーの機械的振動を減衰させることにより、40キログラムの干渉計ミラーを77ナノケルビンの温度に冷却することに成功したと報告しました。著者らは、10キログラムの重さの効果的な物体を使用して結果を説明しました。この物体では、約11個のフォノンのみが励起されました。巨大な鏡のこの状態は、77ナノケルビンの温度に対応します。作業の結果は、重力波の探索に関する実験の精度を高めるのに役立ちます。研究はScienceに掲載されています。
量子力学の発展は、休息の状態が何を意味するかについての私たちの理解を変えました。したがって、物理学者は、小宇宙では、物体からどれだけのエネルギーが除去されても、物体の振動が止まらないことを発見しました。この現象はゼロ点変動として知られており、その性質はハイゼンベルクの不確定性原理に関連しています。
人間に匹敵するサイズの物体の場合、そのような量子効果は質量が大きいため目に見えません。通常の状態では、すべての巨大な物体が膨大な数の振動運動に参加します。これは、フォノン（振動運動の量子）を使用して記述されることがよくあります。同時に、近年の物理実験の精度の向上は、フォノンによって引き起こされるノイズの問題にますます直面しています。そのような実験の1つは、LIGOコラボレーションによる重力波の検出でした。この実験では、真空中に吊るされた40キログラムの干渉計ミラーでフォノンが「ノイズを発生」します。この場合、実際には、それらを冷却することによって、フォノンの数が最も少ない状態（限界では、基底量子状態）に巨大なオブジェクトを転送する方法を学ぶことが非常に望ましいです。
現在、LIGOコラボレーションの物理学者とエンジニアは、フィードバックシステムを使用してミラーシステムを77ナノケルビンに冷却しました。吊り下げられたミラーの振動は、質量が大きいため、かなり低い周波数で発生するという考えに基づいており、速度と位置を正確に測定すれば、力を加えて影響を与えることができます。彼らの動きとは反対に、それは振動を弱めることです。著者らは、同じ干渉計を使用してこのアイデアを実装しました。これにより、ミラーの微妙なたわみによって重力波を検出することができました。
ミラーのたわみとミラーへの作用力を記録するフィードバックシステムを備えたマイケルソン干渉計の概略図。カットは、ミラーのサスペンションシステムと人の高さと比較したそれらのサイズを示しています。
物理学者は、金の電極をミラーと平行に配置して、ミラーに静電的に作用させました。これらの電極の電圧は、干渉計を通過する放射線の特性からミラーの位置と速度を読み取るフィードバックシステムを使用して制御されました。また、著者が重心のシステム内のすべてのミラーを検討したことも注目に値します。これにより、有効質量が10キログラムの1つのオブジェクトに置き換えることができました。
振動の減衰を制御するために、物理学者はフィードバックのパラメーターを変更し、システムの応答を研究しました。可能な最大の動作モードのために、彼らは平均11個のフォノンが物体内で励起される状態を達成しました。これは77ナノケルビンの温度に相当しますが、フォノンが存在しない純粋な状態は10ナノケルビンの温度に起因します。したがって、得られた結果は、巨大な物体の量子状態の純度の記録と見なすことができます。
さまざまな消光パラメータに対するオブジェクトの変位スペクトル。挿入図は各パラメーターの平均フォノン数を示し、破線はモデルの依存関係を示し、エラーは灰色で示されています。
著者はまた、記述されたプロセスのモデリングを実行しました。彼の結果は、いくつかの周波数の領域のわずかな偏差を除いて、実験データとの一致を示しました。これは、物理学者が、ミラーが吊り下げられているファイバーの部分の影響に起因すると考えています。アカウンティングとエラーとの戦いに特に注意が払われました。その中には、量子後方アクションの影響とフィードバックシステムの不正確さがありました。
科学者たちは、彼らの研究が純粋な量子状態の巨大な物体の研究への道を開くと述べています。特に、フォノン数がゼロの状態は、重力干渉法の精度を向上させるだけでなく、大きな物体の重力デコヒーレンスの問題を研究するのにも役立ちます。
巨大な物体におけるミクロワールドの法則の兆候は、ますます実験的に発見されています。以前、同じコラボレーションにより、ミラーが量子ゆらぎの影響を受けることが示され、他のいくつかの科学グループが2つのマクロオブジェクトを混同して測定することに成功しました。
