Spatial delocalization of cold oscillators in hollow-core fibers

In de stille wereld van de kwantumfysica proberen wetenschappers zaken vaak zo stil mogelijk te maken. Door minuscule objecten af te koelen tot temperaturen nabij het absolute nulpunt, kunnen ze het willekeurige trillen veroorzaakt door warmte wegvriezen, waardoor het object zich meer als een golf dan als een deeltje gedraagt. Deze staat van extreme stilstand is het startpunt voor enkele van de meest gevoelige metingen ooit bedacht, in staat om krachten te detecteren die zo zwak zijn als de aanraking van een enkel atoom. Echter, om deze kleine krachten nog beter te kunnen meten, moeten onderzoekers soms het tegenovergestelde doen: ze moeten de positie van het object doelbewust onzeker maken. Door de locatie van het object over een groter gebied te verspreiden, kunnen ze de respons op externe duwtjes versterken, waardoor ze effectief het volume op het signaal dat ze proberen te horen, harder zetten. Deze contra-intuïtieve strategie, bekend als delokalisatie, is een krachtig hulpmiddel om de grenzen van wat gemeten kan worden te verleggen, maar het is berucht moeilijk te beheersen zonder het object volledig te verliezen.

Een team van onderzoekers aan het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van Licht en de TU Darmstadt heeft nu een manier gedemonstreerd om deze delicate balans te beheersen met behulp van een zwevend glazen kraaltje in een holle vezel. Hun werk, gepubliceerd in een recente studie, laat zien hoe ze een nanodeeltje dat is afgekoeld tot een bijna bewegingsloze staat, de positie-onzekerheid met een factor meer dan twintig kunnen laten uitrekken, terwijl het toch gevangen en stabiel blijft. Het experiment centreert zich rond een minuscuul silicaatbolletje van slechts 234 nanometer breed, dat zweeft in een holle fotonische kristalfibra. Deze vezel fungeert als een microscopische tunnel die laserlicht geleidt, waarbij een patroon van heldere en donkere strepen, of franjes, langs de lengte creëert. Het deeltje wordt gevangen in de heldere strepen, op zijn plaats gehouden door de zachte duw van het licht.

De onderzoekers begonnen met het afkoelen van de beweging van het deeltje in twee richtingen tegelijk: langs de lengte van de vezel en zijwaarts er dwars doorheen. Ze bereikten dit door gebruik te maken van feedbacklussen die de beweging van het deeltje waarnamen en het laserlicht aanpasten om te fungeren als een rem, waardoor het deeltje vertraagde totdat de temperatuur daalde tot slechts enkele graden boven het absolute nulpunt. Zodra het deeltje deze koude staat bereikte, gingen het team aan de slag om de positie uit te rekken. Ze probeerden twee verschillende methoden om dit te bereiken, die beide vertrouwden op het manipuleren van het lichtpatroon zonder de totale kracht van de laser te veranderen.

In de eerste aanpak draaide het team snel de polarisatie van de laserstralen, wat effectief de grip van de val langs de lengte van de vezel voor een kort moment verzwakte. Deze plotselinge verandering zorgde ervoor dat de positie van het deeltje zich verspreidde, vergelijkbaar met een veer die plotseling wordt toegestaan uit te zetten. De positievariantie van het deeltje nam met 11,83 decibel toe ten opzichte van de initiële koude staat. Cruciaal was dat het deeltje een voorspelbare, klokvormige verdeling behield, wat betekent dat de beweging nog steeds Gaussisch was en met standaard statistiek beschreven kon worden. Deze staat duurde slechts een korte tijd voordat het deeltje weer tot rust kwam, maar de meting bevestigde dat het uitrekken echt en controleerbaar was.

De tweede methode bleek nog effectiever. In plaats van de val te verzwakken, gebruikten de onderzoekers snelle fasecontrole om het deeltje van een heldere streep licht naar een donkere streep te bewegen. In de donkere franje is de lichtintensiteit bijna nul, en de optische krachten creëren een geïnverteerd potentieel, wat betekent dat het deeltje eerder van het centrum wordt weggeduwd dan er naartoe getrokken. Dit geïnverteerde landschap zorgt ervoor dat het deeltje exponentieel weg versnelt van zijn startpunt. Het team bewoog het deeltje voor een fractie van een microseconde in deze donkere zone, en bewoog het daarna snel terug naar een heldere zone voordat het kon ontsnappen. Door deze cyclus van het deeltje in de donkere zone en terug naar de heldere zone te herhalen, cumuleerden zij het rek-effect. Deze techniek verhoogde de positievariantie met 13,23 decibel, een significante verbetering ten opzichte van de eerste methode.

De onderzoekers ontdekten dat als ze dit proces nog verder zouden pushen, het deeltje de randen van de lichtval zou gaan verkennen waar de krachten niet langer perfect lineair zijn. Dit leidde tot een derde uitkomst: de creatie van een niet-Gaussische staat. In dit regime ontwikkelde de positieverdeling van het deeltje gebogen, uitwaaierende staarten, wat aangeeft dat de eenvoudige regels van een harmonische oscillator niet langer van toepassing waren. Het team bevestigde dit gedrag door hun experimentele gegevens te vergelijken met complexe simulaties van de aanwezige niet-lineaire krachten, waarbij ze een nauwkeurige overeenkomst vonden tussen de twee.

Dit werk is belangrijk omdat het een nieuw niveau van controle over zwevende deeltjes demonstreert zonder dat daar complexe hulpvallen of elektrisch geladen deeltjes voor nodig zijn, die vaak gevoelig zijn voor afwijkende elektrische velden. Het vermogen om snel te schakelen tussen een strak vastgehouden staat en een breed gedelokaliseerde staat binnen een vezel opent de deur naar gevoeligere krachtdetectoren. Zo komt de 13-decibelse toename in positievariantie overeen met een bijna vijfmaal verbetering in het vermogen om minuscule krachten te detecten. Bovendien biedt de donkere franje-techniek een unieke manier om de positie te meten zonder de impuls van het deeltje te verstoren, een kenmerk dat essentieel kan zijn voor toekomstige experimenten die gericht zijn op het creëren van grootschalige kwantumsuperposities. De studie vestigt holle vezels als een veelzijdig platform voor deze geavanceerde optomechanische experimenten, en bewijst dat de delicate kunst van het uitrekken van een kwantumtoestand met hoge precisie en betrouwbaarheid kan worden uitgevoerd.