Os físicos do MIT projetaram um "espremedor de luz" quântico que reduz o ruído quântico em um feixe de laser em 15 por cento. É o primeiro sistema desse tipo a funcionar em temperatura ambiente, tornando-o acessível a um compacto, configuração portátil que pode ser adicionada a experimentos de alta precisão para melhorar as medições de laser onde o ruído quântico é um fator limitante.

O coração do novo espremedor é uma cavidade óptica do tamanho de um mármore, alojado em uma câmara de vácuo e contendo dois espelhos, um dos quais é menor que o diâmetro de um fio de cabelo humano. O espelho maior fica parado enquanto o outro é móvel, suspenso por um cantilever em forma de mola.

A forma e a composição deste segundo espelho "nanomecânico" são a chave para a capacidade do sistema de funcionar à temperatura ambiente. Quando um feixe de laser entra na cavidade, ele salta entre os dois espelhos. A força transmitida pela luz faz o espelho nanomecânico balançar para frente e para trás de uma forma que permite aos pesquisadores projetar a luz que sai da cavidade para ter propriedades quânticas especiais.

A luz laser pode sair do sistema em um estado comprimido, que pode ser usado para fazer medições mais precisas, por exemplo, em computação quântica e criptologia, e na detecção de ondas gravitacionais.

"A importância do resultado é que você pode projetar esses sistemas mecânicos de forma que, à temperatura ambiente, eles ainda podem ter propriedades mecânicas quânticas, "diz Nergis Mavalvala, o professor Marble e chefe associado de física do MIT. "Isso muda o jogo completamente em termos de ser capaz de usar esses sistemas, não apenas em nossos próprios laboratórios, alojados em grandes refrigeradores criogênicos, mas no mundo. "

A equipe publicou seus resultados na revista Física da Natureza . A autora principal do artigo é Nancy Aggarwal, um ex-aluno de graduação em física no Laboratório MIT LIGO, agora um pós-doutorado na Northwestern University. Outros co-autores do artigo, juntamente com Mavalvala, são Robert Lanza e Adam Libson do MIT; Torrey Cullen, Jonathan Cripe, e Thomas Corbitt da Louisiana State University; e Garrett Cole, David Follman, e Paula Heu da Crystalline Mirror Solutions em Santa Bárbara, Califórnia.

Um frio "detonador"

Um laser contém muitos fótons que fluem em ondas sincronizadas para produzir uma luz feixe de luz focalizado. Dentro desta configuração ordenada, Contudo, há um pouco de aleatoriedade entre os fótons individuais de um laser, na forma de flutuações quânticas, também conhecido em física como "ruído de tiro".

Por exemplo, o número de fótons em um laser que chega a um detector a qualquer momento pode oscilar em torno de um número médio, de uma forma quântica que é difícil de prever. Da mesma forma, o momento em que um fóton chega a um detector, relacionado à sua fase, também pode oscilar em torno de um valor médio.

Ambos os valores - o número e o tempo dos fótons de um laser - determinam com que precisão os pesquisadores podem interpretar as medições do laser. Mas de acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg, um dos princípios fundamentais da mecânica quântica, é impossível medir simultaneamente a posição (ou tempo) e o momento (ou número) de partículas ao mesmo tempo com certeza absoluta.

Os cientistas contornam essa restrição física por meio da compressão quântica - a ideia de que a incerteza nas propriedades quânticas de um laser, neste caso, o número e o tempo dos fótons, pode ser representado como um círculo teórico. Um círculo perfeitamente redondo simboliza incerteza igual em ambas as propriedades. Uma elipse - um círculo comprimido - representa uma incerteza menor para uma propriedade e uma incerteza maior para a outra, dependendo de como o círculo, e a proporção de incerteza nas propriedades quânticas de um laser, é manipulado.

Uma das maneiras pelas quais os pesquisadores realizaram a compressão quântica é por meio de sistemas optomecânicos, projetado com peças, como espelhos, que pode ser movido em um grau minúsculo pela luz laser que entra. Um espelho pode se mover devido à força aplicada sobre ele pelos fótons que compõem a luz, e essa força é proporcional ao número de fótons que atingem o espelho em um determinado momento. A distância que o espelho se moveu naquele momento está conectada ao tempo dos fótons que chegam ao espelho.

Claro, os cientistas não podem saber os valores precisos para o número e o tempo dos fótons em um determinado momento, mas através deste tipo de sistema eles podem estabelecer uma correlação entre as duas propriedades quânticas, e assim reduzir a incerteza e o ruído quântico geral do laser.

Até agora, A compressão optomecânica foi realizada em grandes configurações que precisam ser alojadas em freezers criogênicos. Isso é porque, mesmo em temperatura ambiente, a energia térmica circundante é suficiente para afetar as partes móveis do sistema, causando um "jitter" que supera qualquer contribuição do ruído quântico. Para proteger contra ruído térmico, pesquisadores tiveram que resfriar os sistemas para cerca de 10 Kelvin, ou -440 graus Fahrenheit.

"No minuto em que você precisa de resfriamento criogênico, você não pode ter um portátil, espremedor compacto, "Mavalvala diz." Isso pode ser um empecilho, porque você não pode ter um espremedor que mora em uma grande geladeira, e então usá-lo em um experimento ou algum dispositivo que opere no campo. "

Dando um aperto na luz

O time, liderado por Aggarwal, procurou projetar um sistema optomecânico com um espelho móvel feito de materiais que absorvem intrinsecamente muito pouca energia térmica, para que eles não precisem resfriar o sistema externamente. No final das contas, eles projetaram um muito pequeno, Espelho de 70 mícrons de camadas alternadas de arseneto de gálio e arsenieto de alumínio e gálio. Ambos os materiais são cristais com uma estrutura atômica muito ordenada que evita que o calor que entra escape.

"Materiais muito desordenados podem facilmente perder energia porque há muitos lugares onde os elétrons podem bater e colidir e gerar movimento térmico, "Aggarwal diz." Quanto mais ordenado e puro um material, quanto menos lugares ele tem para perder ou dissipar energia. "

A equipe suspendeu este espelho multicamadas com um pequeno, Cantilever de 55 mícrons de comprimento. O cantilever e o espelho multicamadas também foram moldados para absorver o mínimo de energia térmica. Tanto o espelho móvel quanto o cantilever foram fabricados por Cole e seus colegas na Crystalline Mirror Solutions, e colocado em uma cavidade com um espelho estacionário.

O sistema foi então instalado em um experimento de laser construído pelo grupo de Corbitt na Louisiana State University, onde os pesquisadores fizeram as medições. Com o novo espremedor, os pesquisadores foram capazes de caracterizar as flutuações quânticas no número de fótons em relação ao seu tempo, quando o laser saltou e refletiu em ambos os espelhos. Esta caracterização permitiu que a equipe identificasse e, assim, reduzisse o ruído quântico do laser em 15 por cento, produzindo uma luz "comprimida" mais precisa.

Aggarwal elaborou um plano para os pesquisadores adotarem o sistema para qualquer comprimento de onda de luz laser de entrada.

"À medida que os espremedores optomecânicos se tornam mais práticos, este é o trabalho que começou, "Mavalvala diz." Isso mostra que sabemos como fazer esses temperatura ambiente, espremedores agnósticos de comprimento de onda. À medida que melhoramos o experimento e os materiais, faremos espremedores melhores. "