Raziskovalni projekt (so)financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS.
Članica UL: Fakulteta za matematiko in fiziko
Šifra projekta: N1-0180
Naziv projekta: Kvantna optomehanika z optično ujetimi submikrometrskimi delci
Obdobje: 1. 3. 2021 - 29. 2. 2024
Letni obseg: 0,7 FTE cenovna kategorija: C
Vodja: Rainer Kaltenbaek
Veda: Naravoslovje
Sodelujoče RO, sestava projektne skupine, bibliografske reference
Vsebinski opis projekta:
Z uporabo tlaka, ki ga svetloba vrši na predmetih, lahko vplivamo celo na gibanje makroskopskih delcev. Znani primeri so repi kometov zaradi potiska sončnega sevanja in opazni učinki potiska sončnega sevanja na vesoljska plovila. To interakcijo med svetlobo in gibanjem delcev lahko uporabimo za ohlajanje gibanja težišča makroskopskih delcev blizu absolutnega minimuma, ki ga dovoljujejo zakoni kvantne fizike. Ko se makroskopski delci ohladijo v tak »kvantni režim«, postanejo zanimivo orodje za uporabo v kvantni komunikaciji, kvantnem zaznavanju in za preizkušanje osnovnih temeljnih zakonov fizike. To področje fizike se imenuje "kvantna optomehanika" in že od sredine 2000-ih vzbuja veliko pozornosti. Zelo obetavna platforma za takšne poskuse je uporaba optično ujetih submikronskih testnih delcev. V primerjavi z vpetimi optomehanskimi sistemi uporaba optičnih pasti obljublja, da bo omogočila boljšo izolacijo ujetih delcev pred negativnimi vplivi njihovega okolja, kot so npr. vibracije. Od preostalih interakcij z okoljem tako ostanejo predvsem trki med preskusnim delcem in okoliškim plinom. Glavni izziv torej ostaja stabilno ujetje delcev v optičnih pasteh v ultra visokem vakuumu. Da bi rešili ta izziv, bomo najprej ujeli testne delce v zmernem vakuumu in jih nato prenesli v vakuumsko komoro s prehodom delcev skozi vlakno z votlim jedrom na osnovi fotonskega kristala. To je optično stekleno vlakno s ozkim votlim jedrom v središču, skozi katerega lahko testne delce z optičnim transportnim trakom prevažamo iz "nakladalne komore" v zmernem vakuumu v "znanstveno komoro" z ultra visokim vakuumom. Medtem ko se bo delec premikal vzdolž vlakna, bomo modulirali intenziteto usmerjevalnih žarkov in s tem hladili radialno gibanje delca. To bomo storili tako, da bomo spremljali položaj delcev in nato globino pasti ustrezno nižali oziroma višali. Tak postopek se imenuje "povratno hlajenje". Ko se bo testni delec znašel v naši optični pasti v "znanstveni komori", bomo znova uporabili povratno hlajenje, da bomo obdržali stabilno ujet delec. Pri višjih tlakih bi okoliški plin zagotovil, da ostane delec v pasti, toda ko je delec v ultravisokem vakuumu, moramo njegovo gibanje zadušiti. Čeprav je torej to mogoče v principu doseči s povratnim hlajenjem, prenos ujetih delcev v kvantni režim terja še dodatno hlajenje. V ta namen bomo optični pasti postavili med dve visoko odsevni ogledali. Ti dve ogledali bosta tvorila zelo fino "optično votlino", v kateri lahko svetloba z ustrezno valovno dolžino večkrat potuje po votlini naprej in nazaj, preden jo na koncu zapusti. V tem primeru bi bila svetloba "v resonanci" z votlino. Če ima svetloba, ki jo uporabljamo za optično lovljenje testnega delca, nekoliko daljšo valovno dolžino, kot je potrebna za resonanco z votlino, si bo svetloba "izposodila" energijo iz gibanja ujetega delca, da bo v resonanci. Ta inovativni koncept lahko zagotovi dodatno hlajenje težišča delca. Pred kratkim so nekdanji sodelavci vodje projekta na Dunaju pokazali, da tak pristop omogoča hlajenje gibanja optično ujetih delcev v kvantni režim. Naš cilj bo vzpostaviti najsodobnejši sistem za hlajenje optično ujetih submikronskih delcev v kvantni režim ali blizu njega z uporabo enostavnejšega pristopa kot je dunajski. Namesto da bi optično past in votlino poganjali pri različnih resonancah votline, bomo optično past upravljali blizu valovne dolžine, ki se uporablja za pogon votline. Naše delo bo torej zagnalo področje kvantne optomehanike v Sloveniji, kar bo omogočilo slovenski prispevek k najsodobnejšim raziskavam na področju kvantne optike, kvantnega zaznavanja, kvantnega računanja in preizkusov temeljnih zakonov kvantne fizike.
Rezultati in dosežki projekta:
Glavni raziskovalec je na več mednarodnih konferencah predstavil s projektom povezane raziskave v smeri razvoja tehnologije za prihodnje eksperimente kvantne optomehanike in interferometrije snovnih valov v vesolju. Več s tem povezanih člankov je bilo objavljenih v recenziranih in skoraj v vseh primerih revijah z odprtim dostopom [1-5].
Reference:
[1] R. Kaltenbaek, M. Arndt, M. Aspelmeyer et al., Quantum Sci. 8 014006 (2023), COBISS ID: 130283523
[2] R. Kaltenbaek, AVS Quantum Sci. 4, 015604 (2022), COBISS ID: 97064195
[3] A. Belenchia, M. Carlesso, Ö. Bayraktar et al., Phys. Rep. 951, 1-70 (2022), COBISS ID: 92467459
[4] R. Kaltenbaek, A. Acin, L. Bacsardi et al., Exp. Astron. 51, 1677-1694 (2021), COBISS ID: 71446019
[5] G. Gasbarri, A. Belenchia, M. Carlesso et al., Commun. Phys. 4, 155 (2021), COBISS ID: 71453699
