用激光给小膜片降温

巴塞尔大学的研究人员开发了一种新颖的方法，使他们能够只使用激光将一个小膜冷却到非常接近绝对零度的温度。例如，这种强烈冷却的膜可用于极其敏感的传感器。

 
在巴塞尔的实验中，一束激光照射到一个膜上（中间的正方形）。利用由光纤电缆（紫色）延迟的反射激光，膜被冷却到绝对零度以上不到千分之一的程度。

在巴塞尔实验中，一束激光照射到一个膜上（中间的正方形）。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的程度。图片来源：巴塞尔大学物理系

德国天文学家约翰内斯-开普勒（Johannes Kepler）在400年前就提出了太阳帆的概念，船舶可以利用它在太空中航行。他认为，当光被一个物体反射时，会有一个力被施加。他还能够用这个想法解释为什么彗星的尾巴会指向远离太阳的地方。

如今，原子和其他粒子是利用光的力量来减速和冷却的，除此之外。为此通常需要一个复杂的仪器。

仅仅使用激光，巴塞尔大学的一个研究小组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温度，或零下273.15℃。该团队由教授Philipp Treutlein博士和Patrick Potts博士领导。他们的发现最近刚刚发表在科学杂志《物理评论X》上。

无需测量的反馈
我们的方法的特别之处在于，我们无需进行任何形式的测量就能实现这种冷却效果。---Maryse Ernzer，研究的第一作者，巴塞尔大学的博士生

量子力学定律规定，反馈环路经常需要的测量会导致量子状态改变，从而造成干扰。为了防止这种情况，来自巴塞尔的研究人员创建了一个被称为相干反馈回路的系统，其中激光既是一个传感器，也是一个阻尼器。

他们通过抑制和冷却约半毫米大小的硝酸硅膜的热振动来实现这一目标。

研究人员将一束激光对准膜，并将膜反射的光送入他们实验中的一根光纤电缆。在这个操作过程中，膜的振动在反射光的振荡阶段产生了微小的变化。

该振荡相位中包含的关于膜的直接运动状态的信息随后被采用，有一个时间延迟，在正确的时刻使用相同的激光对膜施加适量的力。

Ernzer补充说："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"。

研究人员使用了一条30米长的光缆来实现大约100纳秒的最佳延迟。

接近绝对零度
波茨教授和他的合作者对这项新技术进行了理论描述，并计算出我们可望达到最低温度的设置；然后，这一点被实验所证实。--巴塞尔大学博士后研究员Manel Bosch Aguilera博士

他和他的同事们将膜冷却到480微开尔文，或比绝对零度高不到千分之一。

下一阶段将涉及完善该实验，使其达到膜振荡的量子力学基态，这是可达到的最低温度。然后，创造所谓的膜的挤压状态应该是可以想象的。

由于其提高测量精度的能力，这种状态对传感器的构建特别有吸引力。原子力显微镜，用于以纳米分辨率扫描表面，是这种传感器的一个潜在应用。

参考资料

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