使用一種新技術(shù)，巴塞爾大學(xué)的研究人員僅使用激光就成功地將小膜冷卻到接近絕對(duì)零度的溫度。例如，這種極冷的膜可以在高靈敏度傳感器中找到應(yīng)用。

早在400年前，德國天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開普勒（Johannes Kepler）就提出了太陽帆的想法，這種太陽帆可以被船只用來在宇宙中航行。他懷疑光在被物體反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生力。這個(gè)概念也使他能夠解釋為什么彗星的尾巴指向遠(yuǎn)離太陽的地方。

如今，科學(xué)家利用光力等來減緩和冷卻原子和其他粒子。通常，需要復(fù)雜的設(shè)備來執(zhí)行此操作。巴塞爾大學(xué)的一組研究人員，由Philipp Treutlein教授和Patrick Potts教授領(lǐng)導(dǎo)，現(xiàn)在已經(jīng)成功地將晶圓薄膜冷卻到接近零下273.15攝氏度的絕對(duì)零度，只使用激光。他們最近在《物理評(píng)論X》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

在巴塞爾實(shí)驗(yàn)中，激光束被引導(dǎo)到膜上（中間為正方形）。使用反射的激光，由光纖電纜（紫色）延遲，然后將膜冷卻到絕對(duì)零度以上的千分之一度以下。

無需測(cè)量的反饋

“我們的方法之所以特別，是因?yàn)闊o需進(jìn)行任何測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)這種冷卻效果，”物理學(xué)家Maryse Ernzer說，他是博士生，也是該研究論文的第一作者。根據(jù)量子力學(xué)定律，反饋回路中通常需要的測(cè)量會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)的變化，從而導(dǎo)致干擾。

為了避免這種情況，巴塞爾的科學(xué)家們開發(fā)了一種所謂的相干反饋回路，其中激光既充當(dāng)傳感器又充當(dāng)阻尼器。通過這種方式，他們抑制和冷卻了由硝酸硅制成的膜的熱振動(dòng)，其尺寸約為半毫米。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員將激光束引導(dǎo)到膜上，并將膜反射的光饋入光纖電纜。在這個(gè)過程中，膜的振動(dòng)導(dǎo)致反射光的振蕩相位發(fā)生微小變化。然后使用振蕩階段中包含的膜瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，通過時(shí)間延遲，在正確的時(shí)刻使用相同的激光在膜上施加適量的力。

“這有點(diǎn)像在正確的時(shí)間用腳短暫地接觸地面來減慢秋千的速度，”Ernzer解釋說。為了達(dá)到大約100納秒的最佳延遲，研究人員使用了一根30米長的光纖電纜。

接近絕對(duì)零度

“Potts教授和他的合作者對(duì)新技術(shù)進(jìn)行了理論描述，并計(jì)算了我們可以期望達(dá)到最低溫度的設(shè)置;然后被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，“Manel Bosch Aguilera博士說，他作為博士后為這項(xiàng)研究做出了貢獻(xiàn)。他和他的同事們能夠?qū)⒛だ鋮s到480微開爾文 - 比絕對(duì)零度的溫度高出不到千分之一度。

在下一步中，研究人員希望改進(jìn)他們的實(shí)驗(yàn)，使膜達(dá)到盡可能低的溫度 - 即膜振蕩的量子力學(xué)基態(tài)。之后，還應(yīng)該可以創(chuàng)建所謂的膜擠壓狀態(tài)。這種狀態(tài)對(duì)于構(gòu)建傳感器特別有趣，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S更高的測(cè)量精度。這種傳感器的可能應(yīng)用包括原子力顯微鏡，用于以納米分辨率掃描表面。

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