Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Kwantowy ściskacz światła z MIT pracuje w temperaturze pokojowej

Recommended Posts

Fizycy z MIT opracowali kwantowy „ściskacz światła”, który redukuje szum kwantowy w laserach o 15%. To pierwszy taki system, który pracuje w temperaturze pokojowej. Dzięki temu możliwe będzie wyprodukowanie niewielkich przenośnych systemów, które będzie można dobudowywać do zestawów eksperymentalnych i przeprowadzać niezwykle precyzyjne pomiary laserowe tam, gdzie szum kwantowy jest obecnie poważnym ograniczeniem.

Sercem nowego urządzenia jest niewielka wnęka optyczna znajdująca się w komorze próżniowej. We wnęce umieszczono dwa lustra, z których średnia jednego jest mniejsza niż średnica ludzkiego włosa. Większe lustro jest zamontowane na sztywno, mniejsze zaś znajduje się na ruchomym wsporniku przypominającym sprężynę. I to właśnie kształt i budowa tego drugiego, nanomechanicznego, lustra jest kluczem do pracy całości w temperaturze pokojowej. Wpadające do wnęki światło lasera odbija się pomiędzy lustrami. Powoduje ono, że mniejsze z luster, to na wsporniku zaczyna poruszać się w przód i w tył. Dzięki temu naukowcy mogą odpowiednio dobrać właściwości kwantowe promienia wychodzącego z wnęki.

Światło lasera opuszczające wnękę zostaje ściśnięte, co pozwala na dokonywanie bardziej precyzyjnych pomiarów, które mogą przydać się w obliczeniach kwantowych, kryptologii czy przy wykrywaniu fal grawitacyjnych.

Najważniejszą cechą tego systemu jest to, że działa on w temperaturze pokojowej, a mimo to wciąż pozwala na dobieranie parametrów z dziedziny mechaniki kwantowej. To całkowicie zmienia reguły gry, gdyż teraz będzie można wykorzystać taki system nie tylko w naszym laboratorium, które posiada wielkie systemy kriogeniczne, ale w laboratoriach na całym świecie, mówi profesor Nergis Mavalvala, dyrektor wydziału fizyki w MIT.

Lasery emitują uporządkowany strumień fotonów. Jednak w tym uporządkowaniu fotony mają pewną swobodę. Przez to pojawiają się kwantowe fluktuacje, tworzące niepożądany szum. Na przykład liczba fotonów, które w danym momencie docierają do celu, nie jest stała, a zmienia się wokół pewnej średniej w sposób, który jest trudny do przewidzenia. Również czas dotarcia konkretnych fotonów do celu nie jest stały.

Obie te wartości, liczba fotonów i czas ich dotarcia do celu, decydują o tym, na ile precyzyjne są pomiary dokonywane za pomocą lasera. A z zasady nieoznaczoności Heisenberga wynika, że nie jest możliwe jednoczesne zmierzenie pozycji (czasu) i pędu (liczby) fotonów.

Naukowcy próbują radzić sobie z tym problemem poprzez tzw. kwantowe ściskanie. To teoretyczne założenie, że niepewność we właściwościach kwantowych lasera można przedstawić za pomocą teoretycznego okręgu. Idealny okrąg reprezentuje równą niepewność w stosunku do obu właściwości (czasu i liczby fotonów). Elipsa, czyli okrąg ściśnięty, oznacza, że dla jednej z właściwości niepewność jest mniejsza, dla drugiej większa.

Jednym ze sposobów, w jaki naukowcy realizują kwantowe ściskanie są systemy optomechaniczne, które wykorzystują lustra poruszające się pod wpływem światła lasera. Odpowiednio dobierając właściwości takich systemów naukowcy są w stanie ustanowić korelację pomiędzy obiema właściwościami kwantowymi, a co za tym idzie, zmniejszyć niepewność pomiaru i zredukować szum kwantowy.

Dotychczas optomechaniczne ściskanie wymagało wielkich instalacji i warunków kriogenicznych. Działo się tak, gdyż w temperaturze pokojowej energia termiczna otaczająca system mogła mieć wpływ na jego działanie i wprowadzała szum termiczny, który był silniejszy od szumu kwantowego, jaki próbowano redukować. Dlatego też takie systemy pracowały w temperaturze zaledwie 10 kelwinów (-263,15 stopni Celsjusza). Tam gdzie potrzebna jest kriogenika, nie ma mowy o niewielkim przenośnym systemie. Jeśli bowiem urządzenie może pracować tylko w wielkiej zamrażarce, to nie możesz go z niej wyjąć i uruchomić poza nią, wyjaśnia Mavalvala.

Dlatego też zespół z MIT pracujący pod kierunkiem Nancy Aggarval, postanowił zbudować system optomechaczniczny z ruchomym lustrem wykonanym z materiałów, które absorbują minimalne ilości energii cieplnej po to, by nie trzeba było takiego systemu chłodzić. Uczeni stworzyli bardzo małe lustro o średnicy 70 mikrometrów. Zbudowano je z naprzemiennie ułożonych warstw arsenku galu i arsenku galowo-aluminowego. Oba te materiały mają wysoce uporządkowaną strukturę atomową, która zapobiega utratom ciepła. Materiały nieuporządkowane łatwo tracą energię, gdyż w ich strukturze znajduje się wiele miejsc, gdzie elektrony mogą się odbijać i zderzać. W bardziej uporządkowanych materiałach jest mniej takich miejsc, wyjaśnia Aggarwal.

Wspomniane wielowarstwowe lustro zawieszono na wsporniku o długości 55 mikrometrów. Całości nadano taki kształt, by absorbowała jak najmniej energii termicznej. System przetestowano na Louisiana State University. Dzięki niemu naukowcy byli w stanie określić kwantowe fluktuacje liczby fotonów względem czasu ich przybycia do lustra. Pozwoliło im to na zredukowanie szumu o 15% i uzyskanie bardziej precyzyjnego „ściśniętego” promienia.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po raz pierwszy udało się zademonstrować działanie interferometrii atomowej w przestrzeni kosmicznej. Osiągnięcie niemieckich naukowców oznacza, że interferometry atomowe, niezwykle precyzyjne urządzenia pomiarowe, mogą zostać wykorzystane poza Ziemią, np. na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Posłużyć tam mogą chociażby do pomiarów pola grawitacyjnego Ziemi czy wykrywania fal grawitacyjnych.
      Stworzyliśmy technologiczne podstawy do wykorzystania interferometrii atomowej na pokładzie rakiety meteorologicznej i wykazaliśmy, że prowadzenie tego typu eksperymentów jest możliwe nie tylko na Ziemi ale i w kosmosie, mówi profesor Patrick Windpassinger z Instytutu Fizyki z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji.
      Prace prowadzili naukowcy z różnych uczelni i instytucji badawczych, a zespołem kierowali specjaliści z Uniwersytetu Hanowerskiego. W styczniu 2017 roku wystrzelili oni misję MAIUS-1. Jest to pierwsza w historii misja, w czasie której kondensat Bosego-Einsteina był generowany w przestrzeni kosmicznej. Ten specjalny stan materii uzyskuje się schładzając atomy – w tym przypadku atomy rubidu – do temperatur bliskich zeru absolutnemu. Ta ultrazimna materia stała się dla nas obiecującym punktem wyjścia do interferometrii atomowej, mówi Windpassinger. Niskie temperatury odgrywają tutaj kluczową rolę, gdyż pozwalają na prowadzenie bardzo precyzyjnych i dłuższych pomiarów.
      W czasie eksperymentów wykorzystywano laser do odseparowywania od siebie atomów rubidu i tworzenia ich superpozycji. Możliwe było w ten sposób wytworzenie różnych wzorców interferencji pomiędzy atomami, co z kolei można wykorzystać do badania sił wpływających na atomy, w tym do badania grawitacji.
      Misja MAIUS-1 przyniosła więc potwierdzenie słuszności opracowanej koncepcji oraz jej technicznej wykonalności. To zaś oznacza, że możliwe będzie wykorzystanie interferometru atomowego utworzonego z kondensatu Bosego-Einsteina do prowadzenia różnych badań i pomiarów.
      W najbliższym czasie niemieccy naukowcy chcą sprawdzić, czy taki interferometr zda egzamin. W roku 2022 wystartuje MAIUS-2, a w roku 2023 – MAIUS-3. Uczeni chcą użyć interferometrów stworzonych nie tylko z atomów rubidu, ale też potasu. Porównując przyspieszenie podczas spadku swobodnego pomiędzy tymi dwoma typami atomów można będzie przetestować Einsteinowską zasadę równoważności z niedostępną dotychczas precyzją.
      W przyszłości tego typu eksperymenty można będzie prowadzić na satelitach lub Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, gdzie prawdopodobnie uda się do tego wykorzystać planowane właśnie BECCAL czyli Bose Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory. W tym wypadku precyzja pomiarów nie będzie ograniczona krótkim czasem swobodnego spadku rakiety, wyjaśnia doktor Andre Wenzlawski z grupy badawczej Windpassingera.
      Szczegóły badań opisano na łamach Nature Communications.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Najbardziej precyzyjny z dotychczasowych pomiarów wartości stałej struktury subtelnej zarysowuje nowe granice dla teorii mówiących o istnieniu ciemnej materii czy ciemnej energii. Nowa wartość to nie tylko dodatkowy test Modelu Standardowego, ale i wskazówka, gdzie należy poszukiwać ciemnej materii, która wraz z ciemną energią stanowi ponad 90% masy wszechświata.
      Stała struktury subtelnej to kombinacja trzech stałych fundamentalnych, stałej Plancka, ładunku elektronu oraz prędkości światła. Łącznie określają one siłę oddziaływań elektromagnetycznych, przez co stała struktury subtelnej powszechnie występuje we wszechświecie. Jako, że jest to wielkość bezwymiarowa, niezależna od systemu jednostek, jest w pewnym sensie bardziej podstawowa niż inne stałe fizyczne, których wartość zmienia się w zależności od systemu.
      Niewielka wartość stałej struktury subtelnej, wynosząca około 1/137 wskazuje, że oddziaływania elektromagnetyczne są słabe. To zaś oznacza, że elektrony znajdujące się na orbitach w pewnej odległości od jądra atomu mogą tworzyć wiązania i budować molekuły. To właśnie ta ich właściwość umożliwiła powstanie gwiazd czy planet. Wielu fizyków twierdzi, że takiej a nie innej wartości stałej struktury subtelnej zawdzięczamy własne istnienie. Gdyby bowiem była ona nieco większa lub nieco mniejsza, gwiazdy nie mogłyby syntetyzować cięższych pierwiastków, takich jak np. węgiel. Życie w znanej nam postaci by więc nie istniało.
      Dotychczasowe pomiary stałej struktury subtelnej umożliwiły prowadzenie precyzyjnych testów zależności pomiędzy cząstkami elementarnymi. Zależności te są opisane równaniami, tworzącymi Model Standardowy. Każda niezgodność pomiędzy przewidywaniami Modelu a obserwacjami może wskazywać na istnienie nieznanych zjawisk fizycznych.
      Zwykle stałą struktury subtelnej mierzy się określając siłę odrzutu atomów absorbujących fotony. Energia kinetyczna tego odrzutu pozwala określić masę atomu. Następnie, na podstawie precyzyjnej znajomości stosunku masy atomu do elektronu, obliczamy masę elektronu. W końcu możemy określić stałą struktury subtelnej z masy elektronu oraz siły wiązań atomowych w wodorze.
      Naukowcy pracujący pod kierunkiem profesor Saidy Guellati-Khelifa z Laboratoire Kastler-Brossel schłodzili atomy rubidu do temperatury kilku stopni powyżej zera absolutnego. Następnie za pomocą lasera stworzyli superpozycję dwóch stanów atomowych. Pierwszy ze stanów odpowiadał atomom odrzucanym w wyniku zaabsorbowania fotonów, drugi zaś, atomom, które nie doświadczają odrzutu. Atomy w różnych stanach różnie propagowały się wewnątrz komory próżniowej. Naukowcy dodali wówczas drugi zestaw impulsów laserowych, który doprowadził do „ponownego połączenia” obu części superpozycji.
      Im większy był odrzut atomu absorbującego fotony, tym większe przesunięcie fazy względem jego własnej wersji, która nie doświadczała odrzutu. Uczeni wykorzystali tę różnicę do określenia masy atomu, z której następnie wyliczyli stałą struktury subtelnej. W ten sposób określili jej wartość na 1/137,035999206(11). Precyzja pomiaru wynosi 81 części na bilion, jest więc 2,5-krotnie większa niż poprzedni najbardziej precyzyjny pomiar wykonany w 2018 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.
      Różnica pomiędzy pomiarem obecnym, a tym z Berkeley rozpoczyna się na 7. cyfrze po przecinku. To zaskoczyło francuskich naukowców, gdyż wskazuje, że albo jedne z pomiarów, albo oba, zawierają nieznany błąd. Autor pomiaru z Berkeley, Holger Müller, komentuje, że wynik uzyskany przez Francuzów potwierdza, iż elektron nie posiada mniejszych struktur i rzeczywiście jest cząstką elementarną.
      Francuzi planują teraz potwierdzić wyniki swoich pomiarów korzystając z innego izotopu rubidu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Niemieccy naukowcy poinformowali o dokonaniu najbardziej precyzyjnych pomiarów masy jądra deuteru – deuteronu. Pomiary przeprowadzono porównując masę deuteronu do masy jądra węgla 12. To bardzo ważne niezależne sprawdzenie wcześniejszych pomiarów, które dały niejednoznaczne wyniki. Poznanie dokładnej prostego jądra atomowego, jak wodór, deuter, tryt, jonów H2+ i HD+ jest niezwykle ważne z punktu widzenia badań podstawowych. Pozwala to np. przetestować podstawowe teorie fizyczny, jak elektrodynamikę kwantową. Z kolei masa deuteronu może zostać użyta do precyzyjnego określenia masy neutronu, co z kolei ma fundamentalne znaczenie dla metrologii, fizyki atomowej, molekularnej i badań nad neutrinami.
      Precyzyjnych pomiarów tego typu często dokonuje się za pomocą pułapek Penninga, które wykorzystują silne pola magnetyczne i elektryczne do uwięzienia cząstek. Cząstka taka po uwięzieniu oscyluej w określonej częstotliwości, która zależy od jej masy. Cięższe cząstki oscylują wolniej niż lżejsze. Jeśli więc do tej samej pułapki złapiemy dwa jony o różnych masach, to dzięki pomiarom ich oscylacji możemy poznać stosunek ich mas z bardzo wysoką precyzją (dochodzącą jednej do 8,5 x 10-12).
      Uczeni z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka, Uniwersytetu Johannesa Gutenberga, GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research oraz Helmholtz Institute w Moguncji wykorzystali specjalny kriogeniczny spektrometr mas wyspecjalizowany w pomiarach mas lekkich jonów. Urządzenie o nazwie LIONTRAP składa się z serii pułapek Penninga. Jest wśród nich wysoce precyzyjna pułapka korzystająca z siedmiu elektrod oraz dwie przylegające pułapki-magazyny. Całość poddana jest działaniu homogenicznego pola magnetycznego o natężeniu 3,8 tesli, znajduje się w niemal idealnej próżni (o ciśnieniu mniejszym niż 10-17 mbar) i w temperaturze około 4 kelwinów.
      Deuteron najpierw trafił do pułapki-magazynu, a następnie został umieszczony w wysoce precyzyjnej pułapce. Tam zmierzono jego oscylacje i porównano je z oscylacjami jonu węgla-12. Na tej podstawie stwierdzono, że masa deuteronu wynosi 2.013553212535(17) jednostek atomowych. Liczba w nawiasie oznacza niepewność pomiaru ostatnich cyfr. Masa jonu HD+ określona tą samą metodą została oszacowana na 3.021378241561(61) jednostek atomowych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po raz pierwszy w historii zaobserwowano wpływ fluktuacji kwantowych na obiekt w skali człowieka. Naukowcy pracujący przy detektorze fal grawitacyjnych LIGO informują na łamach Nature o zarejestrowaniu poruszenia się pod wpływem fluktuacji kwantowych 40-kilogramowych luster wykorzystywanych w obserwatorium.
      Zespół naukowy, który pracował pod kierunkiem specjalistów z MIT, a w skład którego wchodzili też uczeni z Caltechu, przeprowadził swoje badania w LIGO Livingston Observatory w Louizjanie.
      Okazało się, że szum kwantowy wystarczy, by przemieścić lustra o 10-20 metra. Takie przesunięcie jest zgodne z teoretycznymi przewidywaniami mechaniki kwantowej. Dopiero jednak teraz udało się to zjawisko zmierzyć. Wykonanie tak dokładnych pomiarów było możliwe dzięki zastosowaniu kwantowego „ściskacza światła”. Wczoraj informowaliśmy o ważnym przełomie dokonanym na polu budowy takich urządzeń.
      Dzięki „ściskaczowi” naukowcy byli w stanie zredukować szum kwantowy, dzięki czemu określili, jak bardzo wpływał on na ruch luster.
      To naprawdę niezwykłe, że ściśnięcie światła może zmniejszyć ruch luster, które ważą tyle, co nieduży człowiek. Przy tych częstotliwościach istnieje wiele źródeł szumu, które powodują ruch luster. To naprawdę duże osiągnięcie, że mogliśmy obserwować wpływ właśnie tego źródła, cieszy się współautorka badań, Sheila Dwyer, która pracuje przy detektorze LIGO w Hanford.
      Profesor fizyki Rana Adhikari wyjaśnia, że ściśnięcie światła zmniejsza ilość szumu kwantowego w promieniu lasera poprzez przesunięcie go z fazy do amplitudy światła. To amplituda światła porusza lustra. Wykorzystaliśmy tę cechę natury, która pozwoliła nam przesunąć szum w obszar, który nas nie interesuje.
      Ściśnięcie światła i zredukowanie tym samym szumu kwantowego naukowcy mogli dokonać pomiarów poza standardowy limit kwantowy. W przyszłości technika ta pozwoli LIGO na wykrywanie słabszych, odleglejszych źródeł fal grawitacyjnych.
      W jeszcze dalszej przyszłości może to zostać wykorzystane do udoskonalenia smartfonów, autonomicznych samochodów i innych technologii, zapowiada Adhikari.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Specjaliści z Niemieckiego Synchrotronu Elektronowego (DESY – Deutsches Elektronen-Synchrotron) i Uniwesytetu w Hamburgu osiągnęli ważny krok milowy na drodze do stworzenia akceleratora cząstek przyszłości. Po raz pierwszy w historii laserowy akcelerator plazmowy pracował bez przerwy dłużej niż przez dobę. Urządzenie LUX było uruchomione przez 30 godzin.
      To przybliża nas do momentu, gdy ten innowacyjny akcelerator cząstek będzie mógł pracować w trybie ciągłym. Najwyższy czas, by technologia ta wyszła z laboratorium i znalazła zastosowanie w praktyce, mówi dyrektor Wydziału Akceleratora w DESY, Wim Leemans. Przed kilku laty brał on udział w stworzeniu w USA wyjątkowego lasera BELLA.
      Fizycy mają nadzieję, że technologia laserowych akceleratorów plazmowych pozwoli na budowę kompaktowych akceleratorów o unikatowych właściwościach, które znajdą liczne zastosowania. W technologii tej impuls laserowy tworzy falę plazmy w cienkim zbiorniku kapilarnym. Plazma to gaz, którego molekuły zostały pozbawione elektronów. W LUX gazem tym jest wodór.
      Impulsy lasera żłobią sobie drogę w gazie, pozbawiając molekuły wodoru elektronów i usuwając je na bok. Wzbudzone impulsem światła elektrony uzyskują dużą energię i są niesione przez dodatnio naładowaną falę plazmy przed nimi, wyjaśnia Andreas Maier, który stał na czele grupy badawczej DESY.
      Technika ta pozwala na uzyskanie nawet 1000-krotnie większych przyspieszeń cząstek niż za pomocą najpotężniejszych tradycyjnych akceleratorów. Można więc przyspieszać je do olbrzymich prędkości na krótkich odcinkach. A to oznacza, że laserowe akceleratory plazmowe mogą być potężnymi kompaktowymi urządzeniami, które znajdą zastosowanie zarówno w naukach podstawowych jak i w medycynie.
      Technika wymaga jeszcze dopracowania i przed naukowcami jest sporo problemów technicznych do rozwiązania. Teraz, gdy możemy uruchamiać nasze wiązki przez dłuższy czas, łatwiej nam będzie rozwiązać te problemy, dodaje Maier.
      Podczas rekordowo długiej pracy naukowcom udało się uzyskać ponad 100 000 wiązek elektronów. Wiązka była generowana w mniej niż sekundę. Dzięki temu zdobyto olbrzymie ilości danych dotyczących pracy akceleratora. Teraz możemy na przykład precyzyjnie zidentyfikować, w którym miejscu lasera generowane są niepożądane fluktuacje wiązki. Wiemy więc, gdzie zacząć prace nad poprawą jej jakości. To zaś podstawa do opracowania aktywnych technik stabilizacji wiązki, podobnych do tych, jakie są wykorzystywane w tradycyjnych wielkich akceleratorach, stwierdza Leemans.
      Naukowcy mówią, że ich system już teraz mógłby pracować dłużej niż 30 godzin, ale celowo zatrzymali go po 30 godzinach. Po pierwszym takim udanym eksperymencie powtarzali go jeszcze trzykrotnie. To dowodzi, że laserowe akceleratory plazmowe mogą generować powtarzalny i kontrolowalny impuls. To pozwala na dalszy rozwój tej technologii, podsumowuje Leemans. O szczegółach można przeczytać na łamach Physical Review X.
      Zainteresowanie laserowymi akceleratorami plazmowymi szybko rośnie. Niedawno informowaliśmy, że europejskie konsorcjum EuPRAXIA chce zbudować praktyczny akcelerator plazmowy. Obecnie na świecie istnieje około 20 takich prototypowych urządzeń.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...