Лазерна інтерферометрія наближається до вимірювань, обмежених дробовим шумом

Дослідники зробили ще один крок ближче до досягнення вимірювань з обмеженням квантового шуму за допомогою лазерної інтерферометрії – методики, яка регулярно використовується для виявлення руху та зміщення крихітних об’єктів, таких як наномеханічні резонатори, з надчутливою точністю. Зменшивши внесок усіх шумів, крім пострілового, з 92.6% до 62.4%, вони досягли чутливості до зміщення 1.2 Фм/Гц.^1/2. Команда каже, що це найкраще значення на сьогоднішній день для будь-якого резонатора на основі двовимірних (2D) матеріалів з використанням інтерферометрії.

Інтерференція світлових хвиль може бути використана для вимірювання зміщення в мікро- та наномасштабах. У цій техніці світло від одного (лазерного) джерела світла розбивається на два або більше пучків, які рухаються різними оптичними шляхами. Ці шляхи рекомбінуються, створюючи інтерференційну картину. Оскільки лазерна інтерферометрія настільки чутлива, її використовували для надвеликих експериментальних установок, таких як кілометровий інтерферометр LIGO, а також у надмалих пристроях, таких як мікро- та наномеханічні резонатори. Останні особливо цікаві, оскільки вони широко використовуються в таких додатках, як зондування, обробка сигналів і обчислення. Їх також можна використовувати у фундаментальних дослідженнях для визначення межі між класичною фізикою та квантовою механікою.

Як і в усіх мікро- та наноструктурах, ці резонатори містять властивий «механічний шум», який походить від продиктованого броунівським рухом термомеханічного резонансу. «Цей шум є важливим обмеженням руху пристрою», — пояснює керівник дослідницької групи Макс Зенхуй Ван від Університет електронної науки та технологій Китаю, «і це часто встановлює нижню межу передачі сигналу в цих механічних пристроях».

Фундаментальний шум

Як правило, термомеханічний шум становить 10–10² fm/Hz^1/2. Для порівняння, радіус Бора атома водню дорівнює 5.3 × 10⁴ FM Усунення цього шуму на тлі шуму вимірювання є важливою проблемою для дослідників, що вимагає від них дуже ретельної оптимізації процесу передачі сигналу. Для цього можна використовувати лазерну інтерферометрію для багатьох мікро- та наномеханічних резонаторів, у тому числі тих, що базуються на 2D-матеріалах та їхніх гетероструктурах, які являють собою одні з найтонших створених людиною вібраційних структур.

«У цих пристроях рухома частина, яка взаємодіє з лазером, може бути тонкою, як лише один окремий шар атомів», — пояснює Ван. «Справа в тому, що чутливість техніки все ще має межі, головним з яких є постріловий шум».

Дробовий шум — це форма квантового шуму, який виникає через квантовану природу фотона, який досягає фотодетектора з кінцевим рівнем невизначеності. У той час як інші джерела шуму під час вимірювання можна мінімізувати за допомогою оптимізованого дизайну та розробки, постріловий шум є фундаментальним процесом, який залежить від потужності лазера, і його можна зменшити лише за допомогою дуже складних конструкцій.

«Під час вимірювання, у якому всі інші джерела шуму зведено до мінімуму та домінує постріловий шум, його називають обмеженим постріловим шумом або обмеженим квантовим шумом», — говорить Ван.

До межі пострілового шуму

У своїй роботі, яка детально в Китайські літери з фізики, дослідники показали, що вони можуть покращити чутливість вимірювання до межі дробового шуму в наномеханічному резонаторі на основі 2D ніобату кальцію (CaNb₂O₆). Їхній підхід передбачав характеристику різних шумових процесів, присутніх у системі один за одним.

Спочатку вони ввімкнули вимірювальний прилад (аналізатор спектру) без підключеного входу та записали його спектр шуму. Потім вони додали фотодетектор, але без падаючого світла на нього, що дозволило їм охарактеризувати електричний шум детектора. Потім вони дозволили лазерному світлу потрапити на детектор, щоб вони могли охарактеризувати лазерний шум. Згодом вони могли розрахувати постріловий шум, вимірявши потужність лазера.

«Нарешті ми дозволили лазеру відбитися від пристрою, перш ніж він досягне фотодетектора», — розповідає Ван Світ фізики. «Це дозволяє тепловому шуму пристрою відображатися поверх усіх інших шумових процесів. Така покрокова характеристика є ключовою для аналізу шуму та дозволяє нам розглядати кожен шумовий процес окремо».

«1.2 фм/Гц^1/2 досягнута чутливість на сьогоднішній день є найкращим значенням серед усіх двовимірних резонаторів, виміряних за допомогою інтерферометрії», — додає він. «І хоча ми ще точно не досягли межі пострілового шуму, в принципі немає жодного фізичного закону, який би заважав нам досягти її за допомогою нашого нового підходу».

Новий тип шуму виявлено в нанорозмірних пристроях

У майбутній роботі дослідники планують вивчити перехід між квантово-механічним рухом і тепловим рухом у наномеханічних пристроях, використовуючи підвищену чутливість, запропоновану новою технікою.

«Коли пристрій охолоджується, величина його теплового руху також зменшується, і його стає важче виявити», — каже Ван. «Однак у якийсь момент термічні коливання поступаються місцем квантовим флуктуаціям, які продиктовані так званим рухом нульової точки. Таке явище можна кількісно описати за допомогою теорема квантової флуктуаційної дисипації і виявляється, що для 2D наномеханічних резонаторів така температура переходу знаходиться в межах досяжності кріогенних температур, доступних нам сьогодні».

«Завдяки новій ультрачутливій техніці можливість вимірювання шумового руху при кріогенній температурі тепер ближча до реальності, ніж будь-коли раніше», — додає Ван. «Це дозволить дослідникам досліджувати межу між квантовим і класичним світами, використовуючи ці резонансні наноструктури».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/laser-interferometry-moves-closer-to-shot-noise-limited-measurements/