Оптический резонатор выявил квантовые движения в жидкости

Физики исследовали нулевые колебания и квантовый эффект обратного действия в сверхтекучем гелии. Для этого они заполнили оптический резонатор жидкостью и получили систему спаренных механических и электромагнитных колебаний. Установка стала первым примером системы, в которой возможно изучение квантовых оптомеханических эффектов для жидкостей, а не для твердых тел или газов, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.

Квантовая механика управляет поведением микроскопических частиц, но ее эффекты могут проявляться и на макромасштабе. Когда свет взаимодействует с макроскопическим объектом, то обычно это проводит к возникновению необратимых возбуждений, что разрушает квантовое состояние излучения и исключает возможность исследования крупномасштабных квантовых свойств тел. Это ограничение можно обойти, если подобрать ситуацию, в которой сильное взаимодействие между множеством частиц и излучением возбуждает только одну степень свободы.

Одним из таких случаев являются оптомеханические системы, в которых колебания вещества связываются с электромагнитным полем в полости между зеркалами. Такие системы нашли множество применений, в частности, на них основаны гравитационно-волновые антенны, в которых лазерные лучи отражаются от колеблющихся зеркал, которые также являются одной из стенок резонатора. В подобных ситуациях возможно наблюдение квантовых эффектов у макроскопических тел, например, охлаждение механических осцилляторов массой в сотни нанограммов до основного энергетического состояния или квантовый эффект обратного действия для нагретых до комнатной температуры тел.

До последнего времени такие опыты проводились лишь с твердыми телами или газами в полости между зеркалами. В работе под руководством Джека Харриса (Jack Harris) из Йельского университета впервые в оптомеханическом резонаторе исследуется квантовое поведение жидкости — сверхтекучего гелия. Использованная установка отличается от других вариантов сразу по нескольким важным пунктам. Во-первых, у жидкости есть специфические механические возбуждения, соответствующие вихревому движению. Во-вторых, наличие поверхности и возможность менять форму привносят дополнительные степени свободы. В-третьих, особые физические свойства сверхтекучего гелия, такие как высокая теплопроводность, позволяют обходить некоторые технические сложности реализации оптомеханических систем.

Физики экспериментально изучали поведение гелия в промежутке между двумя оптоволоконными проводами, который был резонатором одновременно для оптических и акустических волн. Параметры акустических колебаний определялись по исходящему спектру излучения, так как они оказывались связаны с электромагнитными. Свойства резонатора позволили возбудить отдельную моду колебаний жидкости и исследовать ее квантовые флуктуации, в которых удалось выделить влияние двух эффектов. Первым феноменом были нулевые колебания, то есть движения частиц в основном состоянии, которые не связаны с температурой тела. Вторым — квантовое обратное действие, то есть возмущения колебаний, вызванные воздействием измеряющего лазерного луча.

Работа физиков не демонстрирует принципиально новых эффектов, так как они уже были известны в случае твердых тел и газов, но, тем не менее, важна по двум причинам. С одной стороны, здесь исследовалась отдельная мода колебаний в сверхтекучем гелии, в то время как в большинстве работ с этим веществом возбуждается сразу множество мод. С другой, будущие эксперименты с жидкостями в оптомеханических резонаторах позволят исследовать новые явления, такие как вращательные степени свободы и турбулентность в условиях сверхтекучести, которая может стать моделью для описания обычной турбулентности.

Другое возможное развитие направления — охлаждение рекордно массивных тел до основного состояния. По предварительным оценкам авторов, приведенным в другой статье, подобным образом можно достичь экстремального охлаждения левитирующих капель сверхтекучего гелия с массой до сотен микрограммов, что значительно превосходит достигнутые ранее результаты.

Какие ухищрения физики применяют для увеличения точности детектирования гравитационных волн при помощи оптических резонаторов, мы подробно писали в материале «Точилка для квантового карандаша». Также ученые разработали резонатор объемом всего в кубический нанометр, который позволил изучить колебания отдельных связей в одиночной молекуле. Другой коллектив предложил возбуждать два атома одним фотоном в резонаторе.