光共振器が液体中の量子運動を明らかにする

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ビデオ: Q.壁の高さがマイナスの場合、波束の運動はどうなる?【Pythonコピペで量子力学完全攻略マニュアル】 2022, 12月
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物理学者は、超流動ヘリウムのゼロ点振動と量子後方効果を調査しました。これを行うために、彼らは光共振器を液体で満たし、機械的振動と電磁振動を組み合わせたシステムを取得しました。このインスタレーションは、固体や気体ではなく、液体の量子オプトメカニカル効果を研究できるシステムの最初の例になりました、と著者はジャーナルPhysical ReviewLettersに書いています。

量子力学は微視的粒子の振る舞いを支配しますが、その効果はマクロスケールでも現れる可能性があります。光が巨視的な物体と相互作用すると、通常、不可逆的な励起が発生し、放射線の量子状態が破壊され、物体の大規模な量子特性を研究する可能性が排除されます。この制限は、多くの粒子と放射線の間の強い相互作用が1つの自由度のみを励起する状況を選択することで回避できます。

そのような場合の1つは、物質の振動がミラー間の空洞内の電磁場と結合するオプトメカニカルシステムです。そのようなシステムは多くの用途を見出しており、特に重力波アンテナはそれらに基づいており、共振器の壁の1つでもある振動ミラーからレーザービームが反射されます。このような状況では、巨視的な物体の量子効果、たとえば、数百ナノグラムの重さの機械的振動子の基底エネルギー状態への冷却や、室温に加熱された物体の逆作用の量子効果を観察することができます。

最近まで、このような実験は、ミラー間の空洞内の固体または気体でのみ実行されていました。イェール大学のジャック・ハリスが率いる研究では、液体(超流動ヘリウム)の量子挙動がオプトメカニカル共振器で初めて調査されました。使用されるインストールは、いくつかの重要な点で一度に他のオプションと異なります。まず、流体には、渦運動に対応する特定の機械的励起があります。第二に、表面の存在と形状を変更する機能により、追加の自由度が導入されます。第三に、高い熱伝導率などの超流動ヘリウムの特別な物理的特性により、オプトメカニカルシステムの実装における技術的な困難のいくつかを回避することが可能になります。

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共振器内の相互作用のスキーム。光ファイバケーブルの端は側面が黄色でマークされ、キャビティ内のレーザーと定在波は赤で、超流動ヘリウムとその中の定在音波は青で示されています。

物理学者は、光波と音波の両方の共振器である2本の光ファイバーワイヤー間のギャップでのヘリウムの挙動を実験的に研究しました。音響振動のパラメータは、電磁振動に関連していることが判明したため、放射スペクトルから決定されました。共振器の特性により、液体の振動の別個のモードを励起し、その量子ゆらぎを研究することが可能になり、2つの効果の影響を分離することができました。最初の現象は、ゼロ点振動、つまり基底状態の粒子の動きであり、体温とは関係ありません。 2つ目は、量子逆作用、つまり、測定レーザービームの作用によって引き起こされる振動の乱れです。

物理学者の仕事は、固体と気体の場合にすでに知られているため、根本的に新しい効果を示していませんが、それにもかかわらず、2つの理由で重要です。一方では、超流動ヘリウムの個別の振動モードがここで調査されましたが、この物質を使用するほとんどの作業では、多くのモードが一度に励起されます。一方、オプトメカニカル共振器内の流体を用いた将来の実験では、超流動条件下での回転自由度や乱流などの新しい現象の研究が可能になり、通常の乱流を記述するためのモデルになる可能性があります。

この方向の別の可能な開発は、記録的な巨大な物体の基底状態への冷却です。別の記事で与えられた著者の予備的な見積もりによると、このようにして、最大数百マイクログラムの質量を持つ超流動ヘリウムの浮上液滴の極端な冷却を達成することが可能であり、これは以前に達成された結果を大幅に上回っています。

物理学者が光共振器を使用して重力波を検出する精度を高めるために使用するトリックについては、「量子鉛筆削り」という資料に詳しく書いています。科学者たちはまた、体積がわずか1立方ナノメートルの共振器を開発しました。これにより、単一分子内の個々の結合の振動を研究することが可能になりました。別のチームは、共振器内の1つの光子で2つの原子を励起することを提案しました。

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