Минимально возможную температуру во Вселенной не зря называют абсолютным нулём. При −273,15 градусах по Цельсию любое движение атомов прекращается, и они замирают на своих местах в кристаллической решётке. Но долгое время считалось, что на практике достигнуть самой низкой температуры невозможно из-за так называемого квантового предела. Дело в том, что в определённый момент инструменты для измерения сверхнизкой температуры начинают нагревать исследуемый объект и регистрация новых рекордов становится невозможной.
Команда физиков из Национального института стандартов и технологий США, работающая под руководством Джона Туфела (John Teufel) охлаждала крошечную алюминиевую мембрану диаметром 20 микрометров и толщиной 100 нанометров.
Главный секрет заключался в особой конструкции рамки из сверхпроводника, на который металлическая плёнка была натянута, как кожа на барабан. В итоге учёные измеряли не температуру алюминия, а микроволновые колебания, которые мембрана передавала на рамку.
"Чем больше вы охлаждаете мембрану, тем лучше для многих вариантов дальнейшего применения, – объясняет Туфел в пресс-релизе института. –Датчики станут более чувствительными, вы сможете хранить информацию дольше, а квантовые компьютеры смогут проводить вычисления без искажений".
Напомним, что микроволновое излучение представляет собой одну из форм невидимого для глаза света с большей длиной волны и меньшей частотой, чем привычный для нас оптический диапазон излучения. Естественные колебания мембраны взаимодействуют с микроволнами в полости "барабана", и те подстраиваются под естественную частоту резонатора точно так же, как звук удара ложки по хрустальному бокалу меняет тон в зависимости от того, сколько жидкости налито внутрь.
Обычно для значительного снижения температуры твёрдых тел используют метод лазерного охлаждения, который заключается в торможении тепловых колебаний атомов с помощью организованных фотонов лазерного луча. Но команда Туфела не стала ограничиваться стандартными методиками и впервые охлаждала мембрану с помощью так называемого сжатого света.
Сначала учёные действовали классическими методами: воздействовали на сверхпроводящую рамку микроволнами с частотой ниже, чем у резонансных колебаний в полости под плёнкой. Таким образом в сверхпроводнике был создан электрический заряд, который заставил барабан "звучать". В результате этих "ударов" мембрана генерировала фотоны ("кванты света"), каждый из которых уносил с собой фонон ("квант колебания"), и таким образом отправляли энергию её атомов в полость, тем самым охлаждая мембрану всё больше.
На втором этапе для понижения температуры ниже квантового предела команда использовала "сжатые" микроволны с минимальной однонаправленной амплитудой, у которых практически отсутствует шум и случайные колебания, которые могут нагреть плёнку.
"Шум даёт случайные удары или нагревает объект, который вы пытаетесь охладить, – объясняет Туфел. – Мы сжимаем свет до "волшебного" уровня, чтобы получать коррелирующие фотоны со стабильной интенсивностью".
В результате колебания мембраны, которые в начале эксперимента составляли около 10 миллионов "ударов" в секунду, постепенно снизились до значений близких к нулю.
На последнем этапе исследователи определили температуру мембраны, измеряя колебания рамки, и таким образом предотвратили нагревание металлического листа. В результате было зафиксировано рекордное значение менее одной пятой кванта. Ранее считалось, что один квант колебательных движений атома, представленный квазичастицей фононом, является минимально возможным движением и охладить что-либо ниже этого значения невозможно.
Однако в данном случае было получено значение порядка 360 микрокельвинов, то есть мембрана была в 10 тысяч раз холоднее вакуума космоса.
Такого рода "барабан" может использоваться в гибридных квантовых компьютерах будущего, сочетающих квантовые и механические элементы, пишут учёные.