Фізикам з колаборації LIGO вдалося наблизити 40-кілограмові дзеркала інтерферометра обсерваторії до основного стану - у них коливалося всього 11 фононів. Це рекорд «чистого» стану для таких масивних об'єктів, який допоможе збільшити точність експериментів з пошуку гравітаційних хвиль. Щоб уникнути шуму від коливань, дзеркала охолодили до 77 нанокельвінів. Результати експерименту опубліковані у Science.
Caltech / MIT / LIGO Lab
Що зробили вчені?
Фізики вміють багато чого охолоджувати: від атомів літію до атомів антиматерії, та від наномеханічних осциляторів до звукових хвиль. Надохолоджені об'єкти дають змогу збільшити точність вимірювань, адже атоми знерухомлюються та можуть набути стану із найменшою енергією - основного стану квантовомеханічної системи. Втім, переважна більшість цих експериментів заснована на ізоляції у пружній або електромагнітній пастці в умовах дуже низьких температур у діапазоні частот вище 100 кілогерців.
Ці методи не вирішують ряду технічних проблем, характерних для об'єктів більшої маси. По-перше, необхідна велика оптична потужність спричиняє сторонній нагрів та інші оптико-механічні спотворення, які перешкоджають точності експериментів. Однак, вченим з колаборації LIGO вдалося охолодити об'єкт відчутних розмірів так, щоби наблизити його до основного стану.
Звідки взяти основний стан?
Помітні для нас об'єкти можуть здаватися нерухомими, але це лише через те, що ми не бачимо квантових ефектів. Всі масивні тіла беруть участь у величезній кількості коливальних рухів в результаті безлічі взаємодій атомів один з одним. Ці взаємодії описуються фононами і саме вони часто заважають отримувати «чисті» результати експериментів. Втім, їх можна змусити зупинитися, якщо охолодити до температури, близької до нуля. Так у своїй роботі вчені вирішили досягти цього за допомогою протидії фононам. Якщо точно виміряти величину і напрямок рухів атомів, щоб знизити їхню температуру, можна прикласти рівну протидіючу силу і за допомогою різних засобів, як-то лазерне випромінювання, переводити як окремі, так і згруповані атоми, в основний стан.
Однак, щоб зупинити атоми великого об'єкта та довести їх до стану, принаймні близького до основного, потрібно навчитися вимірювати їхній рух з граничною точністю, щоб дізнатися ступінь сили зворотного поштовху. І лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія LIGO є якраз тим інструментом із необхідною точністю. Обсерваторія складається з двох інтерферометрів, кожен з яких з'єднується чотирикілометровим тунелем, на кінцях яких знаходиться дзеркала. Вони підвішені у вакуумі та реагують на будь-яке обурення, як-то досліджувані там гравітаційні хвилі. На стику тунелів розділяється лазер, який потім відбивається назад до свого джерела, а час цих зворотних сигналів (відбивань) повідомляє вченим, на скільки саме перемістилося кожне дзеркало з точністю до 1/10 000 ширини протона.
Що охолоджували?
Насправді охолоджуваний фізиками об'єкт не є відчутним в тому сенсі, що його можна побачити чи торкнутися. Це не окреме дзеркало, а сукупний рух усіх чотирьох дзеркал обсерваторії LIGO - система центру мас. Кожне дзеркало важить близько 40 кілограмів, однак «об'єкт», який дослідники охолодили, має передбачувану масу близько 10 кілограмів. Озброївшись даними про збурення на кожному дзеркалі, дослідники застосували проти них рівну і протилежну силу за допомогою розміщених паралельно дзеркалам золотих електродів, які «гасили» коливання електростатично. Електроди зупинили колективний рух квантів коливального руху, фононів, лишивши дзеркала з такою невеликою енергією, що отриманий об'єкт охолодився до температури 77 нанокельвінів. Це лише наближення до основного стану - повністю фонони мали б зникнути за температури у десять нанокельвінів. Зараз в об'єкті їх коливалося всього 11.
Така «тиша» у станах із нульовою кількістю фононів дасть змогу збільшити точність експериментів із гравітаційними силами і приступити до дослідження масивних об'єктів в чистих квантових станах.