Laserinterferometri bevæger sig tættere på skudstøj-begrænsede målinger

Forskere har bevæget sig et skridt tættere på at opnå kvantestøj-begrænsede målinger ved hjælp af laserinterferometri - en teknik, der rutinemæssigt anvendes til at detektere bevægelse og forskydning af små objekter såsom nanomekaniske resonatorer med ultrafølsom præcision. Ved at reducere bidraget fra alle andre lyde end skudstøj fra 92.6 % til 62.4 % opnåede de en forskydningsfølsomhed på 1.2 fm/Hz^1/2. Holdet siger, at dette er den bedste værdi, der er rapporteret til dato for enhver resonator baseret på todimensionelle (2D) materialer, der bruger interferometri.

Interferensen af ​​lysbølger kan bruges til at måle forskydning på mikro- og nanoskalaen. I teknikken opdeles lys fra en enkelt (laser) lyskilde i to eller flere stråler, der bevæger sig langs forskellige optiske veje. Disse stier kombineres igen for at frembringe et interferensmønster. Da laserinterferometri er så følsom, er den blevet brugt til eksperimentelle opstillinger i ultrastor skala, såsom det kilometerstore LIGO-interferometer, såvel som i ultrasmå enheder som mikro- og nano-mekaniske resonatorer. Sidstnævnte er særligt interessante, da de har været meget brugt i applikationer som sansning, signalbehandling og beregning. De kan også bruges i grundforskning til at undersøge grænsen mellem klassisk fysik og kvantemekanik.

Som i alle mikro- og nanostrukturer indeholder disse resonatorer iboende "mekanisk støj", som kommer fra den termomekaniske resonans, der er dikteret af Brownsk bevægelse. "Denne støj repræsenterer en vigtig grænse for enhedens bevægelse," forklarer lederen af ​​undersøgelsesteamet Max Zenghui Wang fra Kinas universitet for elektronisk videnskab og teknologi, "og det sætter ofte den nedre grænse for signaltransduktion i disse mekaniske enheder."

Grundlæggende støj

Typisk er termomekanisk støj i størrelsesordenen 10-10² fm/Hz^1/2. Til sammenligning er Bohr-radius for et hydrogenatom 5.3 x 10⁴ fm. At løse denne støj fra målestøjbaggrunden er derfor en vigtig udfordring for forskere, der kræver, at de meget omhyggeligt optimerer signaltransduktionsprocessen. Laserinterferometri kan bruges til at gøre dette for mange mikro- og nano-mekaniske resonatorer, inklusive dem, der er baseret på 2D-materialer og deres heterostrukturer, som repræsenterer nogle af de tyndeste menneskeskabte vibrerende strukturer.

"I disse enheder kan den bevægelige del, der interagerer med laseren, være så tynd som kun et enkelt lag af atomer," forklarer Wang. "Sagen er, at der stadig er grænser for teknikkens følsomhed, hvor skudstøj er en grundlæggende."

Skudstøj er en form for kvantestøj, der opstår fra fotonens kvantiserede natur, som når fotodetektoren med et begrænset niveau af usikkerhed. Mens andre kilder til støj i målingen kan minimeres gennem optimeret design og teknik, er skudstøj en grundlæggende proces, der afhænger af lasereffekten og kun kan afbødes ved hjælp af meget komplicerede designs.

"I en måling, hvor alle andre støjkilder er blevet minimeret, og skudstøj dominerer, siges det at være skudstøj begrænset eller kvantestøj begrænset," siger Wang.

Mod skudstøjgrænsen

I deres arbejde, som er detaljeret i Kinesiske fysik bogstaver, viste forskerne, at de kunne forbedre målefølsomheden over for skudstøjgrænsen i en nanomekanisk resonator baseret på 2D calciumniobat (CaNb)₂O₆). Deres tilgang gik ud på at karakterisere de forskellige støjprocesser, der er til stede i systemet, én efter én.

Først tændte de måleinstrumentet (en spektrumanalysator) uden indgang tilsluttet og registrerede dets støjspektrum. Dernæst tilføjede de en fotodetektor, men uden indfaldende lys, der ramte den, hvilket gjorde det muligt for dem at karakterisere detektorens elektriske støj. Derefter tillod de laserlys at ramme detektoren, så de kunne karakterisere laserstøjen. De kunne efterfølgende beregne skudstøjen ved at måle lasereffekten.

"Til sidst lod vi laseren reflektere fra enheden, før den nåede fotodetektoren," fortæller Wang Fysik verden. "Dette gør det muligt for enhedens termiske støj at dukke op oven på alle de andre støjprocesser. Sådan trin-for-trin karakterisering er nøglen til støjanalysen og gør os i stand til at tackle hver støjproces individuelt."

"1.2 fm/Hz^1/2 opnået følsomhed er langt den bedste værdi til dato blandt alle 2D-resonatorer målt ved hjælp af interferometri,” tilføjer han. "Og selvom vi ikke ligefrem har nået grænsen for skudstøj endnu, er der i princippet ingen fysisk lov, der forhindrer os i at nå den med vores nye tilgang."

Ny type støj fundet på lur i enheder i nanoskala

I fremtidigt arbejde planlægger forskerne at udforske overgangen mellem kvantemekanisk bevægelse og termisk bevægelse i nanomekaniske enheder ved hjælp af den forbedrede følsomhed, som den nye teknik tilbyder.

"Når en enhed køles ned, falder størrelsen af ​​dens termiske bevægelse også og bliver sværere at opdage," siger Wang. »På et tidspunkt viger termisk udsving dog for kvanteudsving, som er dikteret af den såkaldte nulpunktsbevægelse. Et sådant fænomen kan beskrives kvantitativt ved hjælp af kvanteudsvingsdissipationssætning og det viser sig, at for 2D nanomekaniske resonatorer er en sådan overgangstemperatur inden for rækkevidde af de kryogene temperaturer, der er tilgængelige for os i dag."

"Med den nye ultrafølsomme teknik er muligheden for at måle støjbevægelsen ved kryogen temperatur nu tættere på virkeligheden end nogensinde før," tilføjer Wang. "Dette vil give forskere mulighed for at udforske grænsen mellem kvante- og klassiske verdener ved hjælp af disse resonerende nanostrukturer."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/laser-interferometry-moves-closer-to-shot-noise-limited-measurements/