研究人员报告了一种用激光冷却膜的新技术

在巴塞尔实验中，一束激光照射到一个膜上（中间的方形）。利用反射的激光，通过光纤电缆（紫色）延迟，然后将膜冷却到绝对零度以上不到千分之一。资料来源：巴塞尔大学物理系

巴塞尔大学的研究人员利用一项新技术，成功地将一个小型膜冷却到接近绝对零度的温度，只需使用激光。例如，这种极度冷却的膜可以在高度敏感的传感器中找到应用。

早在400年前，德国天文学家约翰内斯-开普勒就提出了太阳帆的想法，这种帆可以被船只用来在宇宙中航行。他怀疑光在被一个物体反射时，会产生一种力。这个概念也使他能够解释为什么彗星的尾巴会指向远离太阳的地方。

如今，科学家们利用光的力量，除其他外，来减缓和冷却原子和其他粒子。通常情况下，人们需要一个复杂的仪器来做到这一点。巴塞尔大学的一个研究小组在Philipp Treutlein教授和Patrick Potts教授的带领下，现在已经成功地将一个薄如蝉翼的薄膜冷却到接近绝对零度的零下273.15摄氏度的温度，只使用激光。他们最近在《物理评论X》杂志上发表了他们的成果。

无需测量的反馈
物理学家Maryse Ernzer说："我们的方法的特别之处在于，我们在不进行任何形式的测量的情况下实现了这种冷却效果，"他是博士生和研究论文的第一作者。根据量子力学定律，在反馈回路中通常需要进行的测量会导致量子状态的改变，从而导致干扰。

为了避免这种情况，巴塞尔的科学家们开发了一个所谓的相干反馈回路，其中激光既作为传感器又作为阻尼器发挥作用。通过这种方式，他们抑制并冷却了一个由半毫米大小的硝酸硅制成的膜的热振动。

在他们的实验中，研究人员将一束激光照射到膜上，并将膜反射的光送入一根光纤电缆。在这个过程中，膜的振动导致反射光的振荡相位发生微小变化。该振荡相位中所包含的关于膜的瞬时运动状态的信息随后被使用，并有一个时间延迟，以便在适当的时刻用相同的激光对膜施加恰到好处的力。

"这有点像通过在正确的时间用脚短暂地接触地面来减慢秋千的速度，"Ernzer解释说。为了达到大约100纳秒的最佳延迟，研究人员使用了一条30米长的光缆。

接近绝对零度
"马内尔-博什-阿吉莱拉博士说："波茨教授和他的合作者对这项新技术进行了理论描述，并计算出了我们可望达到最低温度的设置；然后，这一点被实验所证实，他作为博士后为这项研究做出了贡献。他和他的同事能够将膜冷却到480微开尔文--比温度的绝对零度高出不到千分之一。

在下一步，研究人员希望改进他们的实验，使膜达到可能的最低温度--也就是膜振荡的量子力学基态。在那之后，也应该有可能创造出膜的所谓挤压状态。这样的状态对于构建传感器来说特别有趣，因为它们可以实现更高的测量精度。这种传感器的可能应用包括原子力显微镜，它被用来以纳米级的分辨率扫描表面。

参考资料

Maryse Ernzer et al, Optical Coherent Feedback Control of a Mechanical Oscillator, Physical Review X (2023). DOI: 10.1103/PhysRevX.13.021023