Физики измерили самую слабую силу, приблизившись к стандартному квантовому пределу

Механические осцилляторы переводят приложенную силу в измеримое механическое движение
(иллюстрация Kevin Gutowski).

Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли сообщили, что им удалось измерить самую слабую силу, побив тем самым рекорд точности. Сила, эквивалентная 42 иоктоньютона, была обнаружена в ходе эксперимента с лазерами и облаком ультрахолодных атомов.

Свою работу ведущий автор исследования Дэн Стампер-Керн (Dan Stamper-Kurn) и его коллеги считают доказательством преодолимости так называемого стандартного квантового предела. Это понятие представляет собой ограничение, которое накладывается на точность повторяющихся и непрерывных измерений какой-либо величины, например, силы.

Понятие стандартного квантового предела тесно связано с принципом неопределённости Гейзенберга, который гласит, что невозможно одинаково точно измерить импульс и координату частицы.

"Мы измерили силу с чувствительностью, максимально приближенной к стандартному квантовому пределу. Такой чувствительности нам удалось достичь благодаря тому, что наш механический осциллятор состоял всего из 1200 атомов", — рассказывает соавтор исследования Сидни Шрепплер (Sydney Schreppler).

В экспериментальной установке, использованной калифорнийскими физиками, элемент механического осциллятора представлял собой газ из атомов рубидия, захваченный в оптической ловушке. Облако атомов было охлаждено почти до абсолютного нуля.

Механические осцилляторы переводят приложенную силу в измеримое механическое движение (иллюстрация Kevin Gutowski).

Оптическая ловушка состояла из двух световых полей стоячей волны с длинами волн 860 и 840 нанометров, которые прилагали силы равные и противоположные по осям. Движение центра масс индуцировалось в газе путём модуляции амплитуды 840-нанометрового светового поля. Отклик измеряли с использованием зондирующего пучка с длиной волны 780 нанометров.

"Когда мы прилагали внешнюю силу к нашему осциллятору, то это можно было сравнить с ударом битой по маятнику с последующим измерением реакции. Ключ к достижению максимальной чувствительности заключался в способности отделить атомы рубидия от их среды и поддержать температуру на уровне близком к абсолютному нулю. Лазерные лучи, которые мы использовали в качестве ловушки, изолировали атомы от внешнего шума окружающей среды, но не повышали температуру системы. Именно это позволило нам приблизиться к стандартному квантовому пределу", — рассказывает Шрепплер.

Рекордная точность, которой удалось достичь Стампер-Керну и его команде, позволит вывести измерения на новый уровень. Главная надежда — это детектирование гравитационных волн, некой "ряби" в пространстве-времени, предсказанной ещё Эйнштейном. Этот след должен был оставить во Вселенной Большой взрыв.

До сих пор измерения гравитационных волн не были достаточно точными, чтобы засечь явление и подтвердить его несколько раз. Но работа калифорнийских физиков имеет шанс изменить ситуацию к лучшему.

Авторы исследования в Лаборатории имени Лоуренса (фото Roy Kaltschmidt).

"Мы приложили внешнюю силу к центру масс ультрахолодного облака атомов при помощи оптического резонатора и измерили результирующее движение при помощи оптики. Когда движущая сила вошла в резонанс с частотой колебаний облака, мы достигли чувствительности, которая согласуется с теоретическими предсказаниями и в четыре раза превышает стандартный квантовый предел наиболее чувствительного измерения", — рассказывает об эксперименте Стампер-Керн, чья статья была опубликована в журнале Science.

Сердцем всех сверхчувствительных детекторов, используемых в экспериментах физиков, стали механические осцилляторы, системы для перевода приложенной силы в измеримое механическое движение. Когда измерения силы и движения достигают квантовых уровней чувствительности, они сталкиваются с барьером, введённым принципом неопределённости Гейзенберга, при котором само измерение возмущает движение осциллятора — так возникает феномен обратного флуктуационного влияния.

Этот барьер и называется стандартным квантовым пределом. За последние несколько лет учёные предложили массу стратегий для минимизации обратного флуктуационного влияния и приближения к заветному пределу.

По словам авторов исследования, приблизиться ещё сильнее к стандартному квантовому пределу возможно при дальнейшем повышении эффективности оптического детектора. Теоретичекское предсказание возможности достижения этого предела было опубликовано в 1980 году. Тогда учёные были уверены, что на это уйдёт не более пяти лет. Стандартный квантовый предел всё же был взят, но на это ушло на 30 лет больше, чем предполагали теоретики.

Также по теме:
Лазерный пинцет расщепил и столкнул облака ультрахолодных атомов
Физики получили ранее невиданный тип материи из света
Физикам удалось обнаружить фотоны, не изменив их свойства
Квантовые точки в фотовольтаике установили рекорд эффективности
Новый оптический пинцет захватывает нанометровые объекты, не повреждая их

Сегодня