Mikroskopický buben. Kredit: J. Teufel / NIST.

Badatelé amerického Národního institutu standardů a technologie (NIST) podle všeho dělají zázraky. Teď se jim povedlo ochladit mechanický objekt na teplotu tak nízkou, že to nemělo být možné. Svým experimentem prolomili kvantový limit, v tomto případě limit teploty na kvantové škále. Jejich výzkum nedávno publikoval časopis Nature.

Tým NIST, který vedl John Teufel, dal nejprve dohromady teorii, a pak se pustil do experimentů. V průběhu experimentů doložili, že mikroskopický mechanický buben, který vytvořili z vibrující hliníkové membrány, může být chlazen na méně než pětinu jednoho kvanta energie. To je nižší hodnota, než jakou obvykle předpovídá kvantová fyzika coby nejnižší možnou. Nová technologie z NIST by přitom teoreticky mohla vybrané objekty ochladit na absolutní nulu, tedy stav, kdy hmota nevykazuje prakticky žádnou energii.

John Teufel. Kredit: NIST.

K čemu to bylo vlastně dobré? Jak říká Teufel, čím více se povede ochladit mikroskopický buben, tím to bude lepší pro všechny možné aplikace této technologie lepší. Senzory se podle něj stanou více citlivými. Informaci bude možné bezpečně uložit na delší dobu. A kvantové počítače poběží téměř bez vynucených přestávek a najdou přesně takovou odpověď, jakou by měli. V budoucích kvantových počítačích by se mohly objevit součástky, které budou vycházet z podobných mikroskopických bubnů. Teufelův kolega José Aumentado se netají tím, že výsledky jejich experimentu překvapily experty po celém světě. Podle Aumentada jde o elegantní experiment, který jistě bude mít velký dopad na fyziku.

Logo NIST

Mikroskopický buben měří v průměru 20 mikrometrů a tloušťka membrány bubnu odpovídá 100 nanometrům. Vědci ho umístili v supravodivém obvodu takovým způsobem, že pohyb membrány bubnu ovlivňuje mikrovlny uvnitř dutiny, čili rezonátoru. S takovými mikroskopickými bubny se v NIST experimentuje už dlouho. Teufel a spol. teď nově na supravodivý obvod s mikrobubnem použili „stlačené záření“ (anglicky squeezed light). Stlačení záření je takový kvantově mechanický trik, při němž badatelé potlačí nežádoucí fluktuace vakua. Kvantové fluktuace totiž jinak nepatrně ohřívají ochlazovaný objekt a tím vymezují nejnižší možné teploty, kterých lze dosáhnout stávajícími postupy extrémního zchlazování. Tým NIST proto použil speciální obvod, který generuje fotony mikrovlnného záření, zbavené nežádoucích fluktuací.

Podle Teufela jsou kvantové fluktuace při ochlazování dost na obtíž. Když ale použili stlačené záření, tak to bylo jako najít správné kouzlo. Účinek byl ohromující. Stlačili záření ve velmi přesně definovaném směru a množství, čímž získali perfektní mikrovlnné fotony pro své záměry. Jejich experiment potvrdil, že správně stlačené záření dokáže zrušit obecně přijímaný konsenzus o hranici minimální dosažitelné teploty.

Videa:  John Teufel, NIST Boulder, January 7, 2013 Part I a  John Teufel, NIST Boulder, January 7, 2013 Part II

Literatura
NIST 11. 1. 2017, Nature 541: 191-195.