Вибрирующие струны и мембраны лежат в основе многих музыкальных инструментов. Выдергивание струны возбуждает ее колебания с частотой, определяемой ее длиной и натяжением. Помимо основной частоты, соответствующей музыкальной ноте, струна также колеблется на более высоких частотах. Эти обертоны влияют на то, как мы воспринимаем «звук» инструмента, и позволяют отличить гитару от скрипки.
Точно так же удары по барабанной пластине вызывают вибрации одновременно на нескольких частотах.Эти вещи не отличаются при уменьшении масштаба, от полуметрового бас-барабана в классическом оркестре до полумиллиметровой мембраны, недавно изученной в Институте Нильса Бора. И все же некоторые вещи совсем не то же самое: используя сложные методы оптических измерений, группа под руководством профессора Альберта Шлиссера смогла показать, что колебания мембраны, включая все ее обертоны, подчиняются странным законам квантовой механики.
В их эксперименте эти квантовые законы подразумевали, что простая попытка точно измерить колебания мембраны приводит ее в движение. Как будто взгляд на барабан уже заставил его гудеть!
Барабан с множеством тоновХотя мембрану, исследованную командой Института Нильса Бора, можно увидеть невооруженным глазом, исследователи использовали лазер для точного отслеживания движения мембраны.
И это действительно обнаруживает ряд резонансов вибрации, все из которых измеряются одновременно. Их частоты находятся в мегагерцовом диапазоне, примерно в тысячу раз выше, чем звуковые волны, которые мы слышим, в основном потому, что мембрана намного меньше музыкального инструмента.
Но аналогии продолжаются: точно так же, как скрипка звучит по-разному в зависимости от места удара по струне (sul tasto vs sul ponticello), исследователи могли определить по спектру обертонов, в каком месте их мембрана была возбуждена лазерным лучом.Тем не менее, для наблюдения за тонкими квантовыми эффектами, которые больше всего интересовали исследователей, потребовалось еще несколько уловок.
Альберт Шлиссер объясняет: «На этот раз возникает проблема потери вибрационной энергии, ведущая к тому, что мы называем квантовой декогеренцией. Подумайте об этом так: в скрипке вы создаете резонансное тело, которое улавливает колебания струны и преобразует их. к звуковым волнам, уносимым воздухом. Это то, что вы слышите.
Мы должны были добиться прямо противоположного: ограничить колебания только мембраной, чтобы мы могли следить за ее невозмущенным квантовым движением как можно дольше. Для этого нам пришлось разработать специальное «тело», которое не может вибрировать на частотах мембраны ».Это было достигнуто с помощью так называемого фононного кристалла, регулярного рисунка дырок, который демонстрирует фононную запрещенную зону, то есть полосу частот, на которой структура не может колебаться. Егише Цатурян, аспирант в команде, реализовал мембрану с таким особенным корпусом на производственном предприятии Danchip в Люнгбю.
Вторая задача состоит в том, чтобы произвести достаточно точные измерения. Используя методы из области оптомеханики, которыми занимается Шлиссер, команда создала специальный эксперимент в Институте Нильса Бора, основанный на лазере, специально созданном для их нужд, и паре зеркал с высокой степенью отражения, между которыми расположена мембрана.
Это позволяло им разрешать колебания с амплитудами намного меньше радиуса протона (1 фемтометр).«Сделать такие чувствительные измерения непросто, в частности, из-за того, что насосы и другое лабораторное оборудование вибрируют с гораздо большей амплитудой.
Поэтому мы должны убедиться, что это не отражается в наших записях измерений», — добавляет аспирант Уильям Нильсен.Вакуум бьет по барабану
Тем не менее, это как раз тот диапазон сверхточных измерений, где это становится интересным. Затем начинает иметь значение то, что, согласно квантовой механике, процесс измерения движения также влияет на него. В эксперименте это «обратное действие квантового измерения» вызвано неизбежными квантовыми флуктуациями лазерного света. В рамках квантовой оптики они вызваны квантовыми флуктуациями электромагнитного поля в пустом пространстве (вакууме).
Как ни странно это звучит, этот эффект оставил четкие следы в данных экспериментов Института Нильса Бора, а именно сильную корреляцию между квантовыми флуктуациями света и механическим движением, измеряемым светом.«Наблюдение и количественная оценка этих квантовых флуктуаций важны для лучшего понимания того, как они могут повлиять на сверхточные механические измерения, то есть измерения смещения, скорости или ускорения.
И здесь в игру вступает многомодовый характер мембраны: не только это более точное представление реальных датчиков. Он также может содержать ключ к преодолению некоторых традиционных квантовых ограничений точности измерений с помощью более сложных схем, использующих квантовые корреляции », — говорит Альберт Шлиссер и добавляет, что в долгосрочной перспективе, Квантовые эксперименты со все более сложными механическими объектами также могут дать ответ на вопрос, почему мы никогда не наблюдаем басовый барабан в квантовой суперпозиции (или будем?).