Laserinterferometri rör sig närmare skottbrus-begränsade mätningar

Forskare har tagit ett steg närmare att uppnå kvantbrus-begränsade mätningar med laserinterferometri – en teknik som rutinmässigt används för att detektera rörelse och förskjutning av små föremål som nanomekaniska resonatorer med ultrakänslig precision. Genom att minska bidraget från alla andra ljud än skottljud från 92.6 % till 62.4 %, uppnådde de en förskjutningskänslighet på 1.2 fm/Hz^1/2. Teamet säger att detta är det bästa värdet som rapporterats hittills för någon resonator baserat på tvådimensionella (2D) material som använder interferometri.

Interferensen av ljusvågor kan användas för att mäta förskjutning på mikro- och nanoskalor. I tekniken delas ljus från en enda (laser)ljuskälla i två eller flera strålar som färdas längs olika optiska banor. Dessa banor rekombineras för att producera ett interferensmönster. Eftersom laserinterferometri är så känslig har den använts för ultrastorskaliga experimentuppställningar som den kilometerstora LIGO-interferometern, såväl som i ultrasmå enheter som mikro- och nanomekaniska resonatorer. De senare är särskilt intressanta eftersom de har använts i stor utsträckning i applikationer som avkänning, signalbehandling och beräkning. De kan också användas i grundforskning för att undersöka gränsen mellan klassisk fysik och kvantmekanik.

Som i alla mikro- och nanostrukturer innehåller dessa resonatorer inneboende "mekaniskt brus", som kommer från den termomekaniska resonansen som styrs av Brownsk rörelse. "Detta brus representerar en viktig gräns för enhetens rörelse", förklarar studiegruppsledaren Max Zenghui Wang från Kinas universitet för elektronisk vetenskap och teknik, "och det sätter ofta den nedre gränsen för signaltransduktion i dessa mekaniska enheter."

Grundläggande buller

Typiskt är termomekaniskt brus i storleksordningen 10–10² fm/Hz^1/2. Som jämförelse är Bohr-radien för en väteatom 5.3 x 10⁴ fm. Att lösa detta brus från mätbrusbakgrunden är därför en viktig utmaning för forskare, som kräver att de mycket noggrant optimerar signaltransduktionsprocessen. Laserinterferometri kan användas för att göra detta för många mikro- och nano-mekaniska resonatorer, inklusive de baserade på 2D-material och deras heterostrukturer, som representerar några av de tunnaste konstgjorda vibrerande strukturerna.

"I dessa enheter kan den rörliga delen som interagerar med lasern vara så tunn som bara ett enskilt lager av atomer", förklarar Wang. "Saken är att det fortfarande finns gränser för teknikens känslighet, med skottljud som en grundläggande sådan."

Skottbrus är en form av kvantbrus som uppstår från fotonens kvantiserade natur, som når fotodetektorn med en ändlig osäkerhetsnivå. Medan andra bruskällor i mätningen kan minimeras genom optimerad design och ingenjörskonst, är skottbrus en grundläggande process som beror på lasereffekten och som endast kan mildras med mycket komplicerade konstruktioner.

"I en mätning där alla andra bruskällor har minimerats och skottbrus dominerar, sägs det vara skottbrusbegränsat eller kvantbrusbegränsat", säger Wang.

Mot skottbrusgränsen

I deras arbete, som beskrivs i detalj i Kinesiska fysikbokstäver, visade forskarna att de kunde förbättra mätningskänsligheten mot skottbrusgränsen i en nanomekanisk resonator baserad på 2D kalciumniobat (CaNb)₂O₆). Deras tillvägagångssätt innebar att karakterisera de olika bullerprocesserna som finns i systemet en efter en.

Först slog de på mätinstrumentet (en spektrumanalysator) utan ingång ansluten och registrerade dess brusspektrum. Därefter lade de till en fotodetektor, men utan att något infallande ljus träffade den, vilket gjorde det möjligt för dem att karakterisera detektorns elektriska brus. Sedan lät de laserljus träffa detektorn så att de kunde karakterisera laserbruset. De kunde därefter beräkna skottbruset genom att mäta lasereffekten.

"Slutligen låter vi lasern reflektera från enheten innan den nådde fotodetektorn," berättar Wang Fysikvärlden. "Detta gör att enhetens termiska brus kan dyka upp ovanpå alla andra brusprocesser. Sådan steg-för-steg karakterisering är nyckeln till bulleranalysen och gör det möjligt för oss att ta itu med varje bullerprocess individuellt."

"1.2 fm/Hz^1/2 Den uppnådda känsligheten är det överlägset bästa värdet hittills bland alla 2D-resonatorer som uppmätts med interferometri”, tillägger han. "Och även om vi inte exakt har nått gränsen för skottbrus ännu, finns det i princip ingen fysisk lag som hindrar oss från att nå den med vår nya strategi."

Ny typ av buller som lurar i nanoskala enheter

I framtida arbete planerar forskarna att utforska övergången mellan kvantmekanisk rörelse och termisk rörelse i nanomekaniska enheter med hjälp av den förbättrade känsligheten som den nya tekniken erbjuder.

"När en enhet kyls ner minskar också storleken på dess termiska rörelse och blir svårare att upptäcka", säger Wang. "Vid någon tidpunkt ger emellertid termisk fluktuation vika för kvantfluktuation, som dikteras av den så kallade nollpunktsrörelsen. Ett sådant fenomen kan beskrivas kvantitativt med hjälp av kvantfluktuationsförlustsats och det visar sig att för 2D nanomekaniska resonatorer är en sådan övergångstemperatur inom räckhåll för de kryogena temperaturer som är tillgängliga för oss idag."

"Med den nya ultrakänsliga tekniken är möjligen att mäta brusrörelsen vid kryogen temperatur nu närmare verkligheten än någonsin tidigare," tillägger Wang. "Detta kommer att tillåta forskare att utforska gränsen mellan kvantvärlden och den klassiska världen med hjälp av dessa resonerande nanostrukturer."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/laser-interferometry-moves-closer-to-shot-noise-limited-measurements/