Американские физики впервые охладили звуковую волну — систему фононов, которые движутся в 2,3-сантиметровой кремниевой трубочке. Для этого ученые светили в трубочку инфракрасным излучением и подбирали параметры волн таким образом, чтобы взаимодействие между фотонами и фононами было максимальным. В результате исследователям удалось охладить фононы на 30 градусов.

Статья опубликована в Physical Review X и находится в свободном доступе, кратко о ней сообщает Physics.

Как правило, чтобы охладить оптомеханический прибор до сверхнизкой температуры, физики прибегают к лазерному охлаждению — а точнее, к охлаждению методом боковой полосы (sideband cooling). Качественно такой прибор можно описать с помощью квантовомеханического осциллятора, у которого внутренние энергетические уровни «расщепляются» на набор подуровней, «заселенных» квантами колебаний — фононами. Если правильно подобрать частоту охлаждающего лазера, фотоны будут «подталкивать» осциллятор таким образом, чтобы число фононов постепенно уменьшалось. Грубо говоря, прибор излучает больше энергии, чем поглощает.

Благодаря охлаждению методом боковой полосы можно преодолеть стандартный квантовый предел — ограничение, которое квантовая механика накладывает на точность измерения некоторых величин (например, координаты осциллятора). Поэтому этот способ имеет прикладные приложения в метрологии, генерации квантовых состояний и квантовых вычислениях. Подробнее про охлаждение методом боковой полосы можно прочитать в новости Микробарабан охладили ниже стандартного квантового предела».

К сожалению, в настоящее время ученые умеют охлаждать приборы только с помощью оптомеханических полостей, которые усиливают связь между осциллятором и фотонами. Это ограничивает область применения метода боковой полосы. На практике гораздо удобнее было бы напрямую охлаждать «свободные» фононы (звуковые волны). Такое охлаждение позволило бы получить новый тип «сжатых» квантовых состояний, которые используются для детектирования гравитационных волн. Теоретически, добиться такого охлаждения можно, однако на практике это пока еще никому не удавалось.

Группа ученых под руководством Нильса Оттерстрома (Nils Otterstrom) впервые охладила «свободные» фононы, «живущие» в 2,3-сантиметровом кремниевом оптическом канале. Для этого исследователи использовали рассеяние Мандельштама — Бриллюэна — процесс, который связывает оптическое излучение с механическими колебаниями среды. В ходе этого процесса фотон рассеивается на атомах среды и теряет энергию за счет испускания фонона (или, наоборот, получает энергию за счет поглощения).

Как и в случае осциллятора, в этой системе возникает стоксов сдвиг, который нарушает симметрию и позволяет подобрать частоту лазера таким образом, чтобы энергия системы постепенно уменьшалась. Правда, в отличие от осциллятора, в непрерывной среде процессы «расщепляются»: процесс, ответственный за «нагревание» (Стокса), связан с фононами, которые движутся в одном направлении с фотоном, а процесс «охлаждения» (анти-Стокса) — с фононами с противоположным направлением. Чтобы охлаждение было легче заметить, ученые усилили взаимодействие между звуковой и оптической волной, правильно подбирая их частоты. Наибольшего эффекта исследователи добились при частотах фононов и фотонов около 6×109 герц и 6×1013 герц (длина волны около 1500 нанометров, инфракрасное излучение) соответственно.

Схема эксперимента для наблюдения охлаждения фононов. Кремниевый волновод находится в центре / Nils Otterstrom et al. / Physical Review X, 2018

Чтобы подтвердить, что фононы действительно охлаждаются, физики использовали оптическую гетеродинную спектросокпию (optical heterodyne spectroscopy). Проще говоря, ученые измеряли амплитуду и фазу фотонов, рассеявшихся на фононах, и восстанавливали по ним параметры квазичастиц. Таким образом, исследователи подтвердили, что фотоны, которые движутся в направлении, противоположном световой волне, действительно охлаждаются — высота их энергетического спектра уменьшается, а ширина увеличивается. Фононы, которые движутся в одном направлении с фотонами, наоборот, нагреваются. При этом изменение температуры пропорционально мощности лазера. При мощности около 42 милливатт физикам удалось охладить систему, изначально находившуюся при комнатной температуре, примерно на 30 градусов.

Изменение спектра «горячих» (слева) и «холодных» (справа) фононов / Nils Otterstrom et al. / Physical Review X, 2018

Зависимость температуры «горячих» (красный) и «холодных» фононов от мощности лазерного пучка. Точки отвечают экспериментальным данным, линии — теоретическим расчетам / Nils Otterstrom et al. / Physical Review X, 2018

Кроме того, исследователи разработали качественную модель, которая объясняет охлаждение звуковой волны. Для этого они представили звуковую волну в виде суммы мод с определенными значениями волнового вектора и рассчитали эффективную амплитуду ее взаимодействия с оптическим излучением. Используя эту амплитуду, ученые вычислили среднее числа «холодных» фононов и нашли условие согласования волн, при котором изменение температуры максимально.