Spatial delocalization of cold oscillators in hollow-core fibers

Nel silenzioso mondo della fisica quantistica, gli scienziati cercano spesso di rendere le cose il più possibile immobili. Raffreddando piccoli oggetti a temperature vicine allo zero assoluto, possono congelare il tremolio casuale causato dal calore, permettendo all'oggetto di comportarsi più come un'onda che come una particella. Questo stato di estrema quiete è il punto di partenza per alcune delle misurazioni più sensibili mai concepite, capaci di rilevare forze deboli quanto il tocco di un singolo atomo. Tuttavia, per misurare queste forze minuscole in modo ancora migliore, i ricercatori devono talvolta fare l'opposto: devono deliberatamente rendere incerta la posizione dell'oggetto. Espandendo la posizione dell'oggetto su un'area più ampia, possono amplificare la sua risposta a spinte esterne, aumentando efficacemente il volume del segnale che stanno cercando di ascoltare. Questa strategia controintuitiva, nota come delocalizzazione, è uno strumento potente per spingere i limiti di ciò che può essere misurato, ma è notoriamente difficile da controllare senza perdere completamente l'oggetto.

Un team di ricercatori dell'Istituto Max Planck per la Scienza della Luce e della TU Darmstadt ha ora dimostrato un modo per padroneggiare questo delicato equilibrio utilizzando una sfera di vetro sospesa all'interno di una fibra cava. Il loro lavoro, pubblicato in uno studio recente, mostra come prendere una nanoparticella che è stata raffreddata a uno stato quasi privo di moto e allungare la sua incertezza di posizione di un fattore superiore a venti, mantenendola al contempo intrappolata e stabile. L'esperimento si concentra su una minuscola sfera di silice, larga solo 234 nanometri, che è levitata all'interno di una fibra a cristalli fotonici a nucleo cavo. Questa fibra agisce come un tunnel microscopico che guida la luce laser, creando un motivo di strisce chiare e scure, o frange, lungo la sua lunghezza. La particella viene intrappolata nelle strisce luminose, tenuta in posizione dalla spinta gentile della luce.

I ricercatori hanno iniziato raffreddando il movimento della particella in due direzioni contemporaneamente: lungo la lunghezza della fibra e lateralmente attraverso di essa. Ci sono riusciti utilizzando cicli di feedback che percepivano il moto della particella e regolavano la luce laser affinché agisse come un freno, rallentando la particella finché la sua temperatura non è scesa a appena pochi gradi sopra lo zero assoluto. Una volta che la particella era così fredda, il team si è messo alla prova per allungare la sua posizione. Hanno provato due metodi diversi per ottenere questo, entrambi basati sulla manipolazione del modello di luce senza cambiare la potenza complessiva del laser.

Nel primo approccio, il team ha ruotato rapidamente la polarizzazione dei fasci laser, il che ha effettivamente indebolito la presa della trappola lungo la lunghezza della fibra per un breve momento. Questo cambiamento improvviso ha causato l'espansione della posizione della particella, proprio come una molla che viene improvvisamente lasciata espandere. La varianza della posizione della particella è aumentata di 11,83 decibel rispetto al suo stato freddo iniziale. Fondamentalmente, la particella è rimasta in una distribuzione a campana prevedibile, il che significa che il suo moto era ancora gaussiano e poteva essere descritto dalla statistica standard. Questo stato è durato solo poco tempo prima che la particella si stabilizzasse nuovamente, ma la misurazione ha confermato che l'allungamento era reale e controllabile.

Il secondo metodo si è rivelato ancora più efficace. Invece di indebolire la trappola, i ricercatori hanno utilizzato un rapido controllo di fase per spostare la particella da una striscia luminosa a una scura. Nella frangia scura, l'intensità della luce è quasi nulla e le forze ottiche creano un potenziale invertito, il che significa che la particella viene spinta lontano dal centro invece di essere attratta verso di esso. Questo paesaggio invertito fa sì che la particella acceleri lontano dal suo punto di partenza in modo esponenziale. Il team ha spostato la particella in questa zona oscura per una frazione infinitesimale di microsecondo, per poi spostarla rapidamente in una zona luminosa prima che potesse sfuggire. Ripetendo questo ciclo di spostamento della particella nella zona scura e ritorno in quella luminosa, hanno accumulato l'effetto di allungamento. Questa tecnica ha aumentato la varianza della posizione di 13,23 decibel, un miglioramento significativo rispetto al primo metodo.

I ricercatori hanno scoperto che se avessero spinto questo processo oltre, la particella avrebbe iniziato a esplorare i bordi della trappola di luce dove le forze non sono più perfettamente lineari. Ciò ha portato a un terzo risultato: la creazione di uno stato non gaussiano. In questo regime, la distribuzione della posizione della particella ha sviluppato code curve e a ventaglio, indicando che le semplici regole di un oscillatore armonico non si applicavano più. Il team ha confermato questo comportamento confrontando i propri dati sperimentali con simulazioni complesse delle forze non lineari in gioco, trovando una corrispondenza precisa tra i due.

Questo lavoro è significativo perché dimostra un nuovo livello di controllo sulle particelle levitate senza la necessità di trappole ausiliarie complesse o particelle cariche elettricamente, che sono spesso sensibili ai campi elettrici parassiti. La capacità di passare rapidamente da uno stato strettamente trattenuto a uno stato largamente delocalizzato all'interno di una fibra apre la porta a rilevatori di forza più sensibili. Ad esempio, l'aumento di 13 decibel della varianza della posizione corrisponde a un miglioramento di quasi cinque volte nella capacità di rilevare forze minuscole. Inoltre, la tecnica della frangia scura offre un modo unico per misurare la posizione senza disturbare il momento della particella, una caratteristica che potrebbe essere vitale per futuri esperimenti volti a creare sovrapposizioni quantistiche su larga scala. Lo studio stabilisce le fibre a nucleo cavo come una piattaforma versatile per questi avanzati esperimenti optomeccanici, provando che l'arte delicata di allungare uno stato quantistico può essere eseguita con alta precisione e affidabilità.