به تازگی طرح جدیدی به منظور سرمایش نوسانگر مکانیکی در یک کاواک ارائه شده است. این طرح مشاهده‌ی اثرات کوانتومی در اشیاء بزرگ‌مقیاس را ممکن ساخته و به تحقق آشکارسازهای فوق‌حساس امواج گرانشی می‌انجامد. نقطه‌ی عطفی که در پژوهش اخیر رخ داده عبارت از سرمایش کاواک نوسانگرهای مکانیکی است تا آن‌ها را به رژیمی برساند که کمتر از یک کوانتا حرکت داشته باشند[1]. برای این پژوهش کاربردهای مهمی می‌توان متصور شد: از مشاهدات رفتار کوانتومی در سیستم‌های میکروسکوپیک گرفته تا توسعه‌ی آشکارسازهای فوق‌حساس که قادرند ارتعاشات ناچیزی که از امواج گرانشی ناشی می‌شوند را آشکار سازند؛ چیزی که هنوز دست یافتن به آن‌ها دشوار است. هرچند طرح‌هایی که تا به امروز ارائه شده‌اند نیازمند این هستند که فرکانس نور خنک‌ساز کمتر از فرکانس تشدید کاواک باشد. این میزان بایستی متناظر با فرکانس نوسانگر مکانیکی باشد. این دو فرکانس تنها وقتی متفاوت از هم اندازه‌گیری می‌شوند که فرکانس نوسانگر به حدِ کافی بزرگ باشد؛ کاری که محدودیت مهمی برای آن وجود دارد: نمی‌توان نوسانگرهای سنگین را در فرکانس‌های پائین با این روش‌ها خنک‌ کرد.

اپتومکانیکِ کاواک به مطالعه‌ی اندرکنش میان نور و سیستم‌های مکانیکی می‌پردازد که اغلب اوقات توسط فشار تابش مورد بررسی قرار می‌گیرد. فشار تابش نیروی اعمال شده توسط فوتون‌های برخوردکننده به آینه را توصیف می‌کند. در یک اسباب معمولیِ اپتومکانیکی٬ میکروموج‌ها یا فوتون‌های اپتیکی در کاواکی که توسط دو یا چند آینه تشکیل می‌شود مسیری را طی می‌کنند. یکی از این آینه‌ها٬ شبیه یک نوسانگر مکانیکی که مکان آن در اثر فشار تابش و افت‌وخیزهای دمایی تغییر می‌یابد آزادانه حرکت می‌کند.

اکنون تیمی که توسط رومان اشنابل (Roman Schnabel) از موسسه‌ی آلبرت انیشتین در هانوفر آلمان رهبری می‌شود طرحی اپتومکانیکی را برای سرمایش ارائه داده‌اند که قادر است از شرِّ این نیازمندی تنظیم فرکانسی [2] خلاص شود. اساس دستاورد آن‌ها شکلی نادر از سردسازی اپتومکانیکی است. اپتومکانیک عمدتاً با استفاده از «جفت‌شدگی پاشنده» مورد پژوهش واقع شده است که در آن جابجاشدگی‌های آینه‌ی نوسانگر٬ فرکانس تشدید کاواک را تغییر می‌دهد[3]. محققان در پژوهش حاضر به جای آن بر «جفت‌شدگی اتلافی» تکیه کرده‌اند که در آن نوسانات آینه٬ جفت‌شدگی مابین کاواک و محیط اطراف آن را تغییر می‌دهد.

گسترده‌ترین راه برای سرمایش در رژیم خنک‌سازیِ پاشنده٬ رهیافت «سرمایش کاواک»[3] است. در این روش یک مُد مکانیکی توسط نور و در طول یک فرآیند «پارامتریک» خنک می‌شود: کوانتای تحریکات مکانیکی به فوتون‌های کاواک تبدیل می‌شوند و پس از آن در طول کاواک از بین می‌روند. فرکانس این نور بایستی با فرکانس تشدید کاواک تنظیم شود: نوسانگر مکانیکی٬ نوارهای جانبی با فرکانس کمتر (قرمز) و فرکانس بیشتر (آبی) را تولید می‌کند که به اندازه‌ی مضاربی از فرکانس مکانیکی ωM از تشدید کاواک اختلاف دارد. وقتی فرکانس اصلی پیشران به نوار جانبی قرمزرنگ اول تنظیم شود فوتون‌هایی که وارد کاواک می‌شوند باعث می‌شوند فونون‌هایی با انرژی ћωM از سیستم مکانیکی به دور رانده شده و به این ترتیب نوسانگر را خنک می‌سازند. در تعدادی از مطالعات پیشین این روش به پژوهش‌گران این امکان را داده تا نوسانگرهای مکانیکی را به حالت پایه‌ی کوانتومی‌شان بیاورند (یعنی حالاتی که در آن‌ها تعداد متوسط تحریکات مکانیکی به کمتر از واحد تقلیل می‌یابد) [1] و این امکان پدید می‌آید تا تبدیل همدوس فوتون‌ها به حرکت مکانیکی و تبدیل فوتون‌های میکروویو به فوتون‌های اپیتیکی تحقق یابد[4]. اما این‌ها سیستم را نیازمند می‌سازد تا در «رژیم نوار جانبی تفکیک‌شده» قرار گرفته باشد: برای آن‌که نوار جانبی قرمز رنگ از فرکانس کاواک قابل تمیز باشد٬ فرکانس نوسانگر مکانیکی (که جابجایی نوار جانبی را تعیین می‌کند) بایستی از پهنای نوار کاواک بزرگ‌تر باشد. سرمایش حالت پایه برای فرکانس‌هایی که پائین‌تر از هزاران مگاهرتز هستند حاصل می‌شود اما دست‌یابی به فرکانس‌های پائین‌تر (همچون فرکانس ۱۰۰ کیلوهرتز از تشدید مکانیکی که توسط تیم اشنابل استفاده شده) نیازمند کاواک‌هایی با پهنای باند بسیار باریک است که اکنون قابل دسترس نیست.

با این حال نظریه‌ی اخیر نشان می‌دهد که اگر جفت‌شدگی اپتومکانیکی از نوع اتلافی باشد٬ خنک‌سازی کاواک بدون نیاز به تفکیک نوارهای جانبی نوسانگر مکانیکی [5] امکان‌پذیر است. در سیستم‌های جفت‌شده‌ی اتلافی دو نوع نیروی افت‌وخیزکننده بر روی تشدیدگر مکانیکی عمل می‌کنند: نوفه‌ای که در نور تزریق شده به کاواک وجود دارد و دیگری نوفه‌ای که در افت‌وخیزهای کوانتومی میدان کاواک است. این دو نوع نوفه (با طیف‌های متفاوت) می‌توانند به شکل مخرب با هم تداخل کنند. چنان تداخلی با انتخاب پارامترهای مناسب می‌تواند چگالی طیفی این نوفه را به فرکانس (ωM) نوسانگر تقلیل داده و به شکلی موثر آن را خنک سازد. این سازوکار که نیازی به تفکیک نوارهای جانبی ندارد٬ قادر است با فرکانس نوسانگر پائین نیز کار کند.

شکل ۱) طرحی از اسباب اپتومکانیکی که توسط ساوادسکی (Sawadsky) و همکارانش [2]ارائه شده است. نور لیزر در کاواکی که توسط تداخل‌سنج مایکلسون-ساگاک تشکیل شده و یک آینه‌ی بازیافت سیگنال (SRM) با بازتاب بالا می‌چرخد. تداخل‌سنج مایکلسون-ساگناک شامل یک غشای نیترید سیلیکونی (SiN) است که همچون یک نوسانگر مکانیکی با فرکانس ۱۳۶ کیلوهرتز عمل می‌کند. غشای نیترید سیلیکونی قادر است هم فرکانس کاواک (جفت‌شدگی پاشیدگی) و هم پهنای باند (جفت‌شدگی اتلافی) را کنترل کند. با بالانس صحیح این دو جفت‌شدگی٬ نور لیزر٬ نوسانگر مکانیکی را تا دمای موثر ۱۱۱ میلی‌کلوین خنک می‌سازد.

پژوهش‌گران این تحقیق از جفت‌شدگی اتلافی و جفت‌شدگی پاشنده پشت سرهم استفاده کرده‌اند تا به شکل تجربی فرم عمومی سرمایش اپتومکانیکی را به اثبات برسانند. در اسباب آن‌ها (شکل ۱ را ببینید) کاواک اپتیکی با یک تداخل‌سنج مایکلسون-ساگناک ایجاد می‌شود و یک آینه‌ی «بازیافت سیگنال» با بازتاب بالا در خروجی این تداخل‌سنج قرار گرفته است[7]. در این تداخل‌سنج٬ نور با شکافنده‌ای تقسیم شده و در دو جهت مختلفِ یک کاواک حلقوی منتشر می‌شود. این آینه به طریقی عمل می‌کند که تشدید کاواک را تنظیم کرده و با ارسال مقداری نور به عقبِ تداخل‌سنج٬ میدان نوری را در کاواک تقویت می‌کند. در داخل تداخل‌سنج یک غشای نیترید سیلیکونی متحرک به عنوان یک نوسانگر مکانیکی با فرکانس ۱۳۶ کیلوهرتز عمل می‌کند. مکان آن٬ هم مقدار نور داخل کاواک را تغییر می‌دهد و هم نوری که از بخش خارجی گسیل می‌شود. بنابراین هم پهنای باند را تحت تاثیر قرار می‌دهد و هم فرکانس تشدید کاواک را. از طریق این غشاء جفت‌شدگی پاشنده (یعنی مدوله‌سازی فرکانس کاواک) و جفت‌شدگی اتلافی (یعنی مدوله‌سازی پهنای باند) تحقق می‌یابد. در این آزمایش پهنای باند کاواک بین ۰/۷ و ۱/۵ مگاهرتز قابل تنظیم بوده و بسیار بزرگ‌تر از فرکانس نوسانگر مکانیکی است.

در تقابل کامل با سیستم‌های جفت‌شده‌‌ی پاشنده٬ آزمایش اشنابل و همکارانش سرمایش نوسانگر مکانیکی را در طول گستره‌ی وسیعی از فرکانس‌ها (بالاتر و پائین‌تر از فرکانس کاواک) به نمایش گذاشته است. مهم‌تر از همه٬ سرمایش توسط یک منبع نوری (با فرکانس دلخواهی نزدیک به فرکانس تشدید کاواک) نیز امکان‌پذیر است. بنابراین این اسباب قادر است تا نوسانگرهای سنگین را با فرکانس‌های کم خنک کند. پژوهش‌گران٬ دمای موثر غشای نوسان‌کننده را با نظارت بر نوفه‌ی حاصل از جابجاگری‌های غشاء اندازه گرفته‌اند. از یک دمای اولیه‌ی ۳۰۰ کلوین٬ مُد مکانیکی به دمای موثر ۱۱۱ میلی‌کلوین رسیده است؛ یک کاهش سه مرتبه‌ای از اشغال دمایی این مُد مکانیکی.

طرحی که اشنابل و همکارانش ارائه داده‌اند راه‌های جدیدی را به سوی تحقق طرح‌های سرمایش اپتومکانیکی باز می‌کند که متناسب با تعداد زمینه‌های پژوهشی است. اولاً این امکان فراهم می‌شود تا آینه‌های بسیار سنگین تا حالت پایه‌ی کوانتومی خود خنک شده و از این طریق امکان آزمودن اثرات کوانتومی در مقیاس‌های بزرگ فراهم می‌شود [3]: نوسانگرهای ساخته شده از میلیون‌ها اتم می‌تواند درهم‌تندیده شده یا در یک برهم‌نهی از حالات کوانتومی فراهم شوند و برای مثال «گربه‌های شرودینگرِ» بزرگ‌مقیاس را تحقق بخشند. ثانیاً چون حرکت مکانیکی قادر است انرژی ذخیره شده در یک سیستم را تحت تاثیر قرار دهد٬ می‌توان تشدیدگرهای مکانیکی را به انواع گوناگونی از سیستم‌های کوانتومی (مثل کیوبیت‌های ابررسانا٬ اتم‌های سرد و میکروکاواک‌های نیمه‌رسانا) جفت کرد. بنابراین این تشدیدگرها می‌توانند بعنوان محیطی برای اتصال قطعاتی که در گستره‌های فرکانسی متفاوت کار می‌کنند بکار رفته و ساخت سیستم‌های اطلاعاتی کوانتومی هیبریدی [4] را سهولت بخشد. اما یکی از جذاب‌ترین کاربردها در آشکارسازهای موج گرانشی (GW) خواهد بود. آزمایش «LIGO پیشرفته» [8] و توسعه‌ی آینده‌ی لیگو (رصدخانه‌ی موج-گرانشی تداخل‌سنج لیزری-Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) از اسباب تداخل‌سنجی مشابهی با تداخل‌سنج مایکلسون و آینه‌ی بازیافت سیگنال استفاده خواهند کرد. در چنان سیستمی یک جرم آزمون بعنوان یک نوسانگر مکانیکی عمل می‌کند که می‌تواند امواج گرانشی را آشکارسازی کند. پیش‌بینی شده است [9] که میدان اپتیکی در کاواک٬ یک «فنر اپتیکی» را تولید خواهد کرد که بر روی این جرم همچون یک فنر الاستیک عمل کرده و حساسیت آشکارساز را افزایش می‌دهد. متاسفانه پژوهش بیشتری که انجام یافته [7] نشان داده است که جفت‌شدگی اپتومکانیکی خالص پاشنده٬ همچون فنر اپتیکی٬ ذاتاً ناپایدار بوده و به نوسانات مکانیکی غیرقابل کنترل می‌انجامد. اما می‌توان به این مشکل با اضافه کردن جفت‌شدگی اتلافی (استفاده از اثر متقابل آن با جفت‌شدگی پاشنده برای پایدارساختن نوسانگر مکانیکی [7]) فائق آمد. این نمایشِ آزمایشگاهی جدید توانسته مسیر مهمی به سوی آشکارسازهای موج گرانشی حساس‌تر بگشاید.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.