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用激光“抽取”声子能量:光纤中超声波的量子冷却

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发表在《物理评论快报》上的一篇论文,实现了一种新的冷却机制,可以把一根光纤里的声波冷却到比室温低219 K。这是一个非常了不起的成果,因为它不仅展示了光声效应的强大潜力,而且为探索宏观物体的量子行为和开发新的量子技术提供了可能性。那么,他们是怎么做到的呢?让我们一起来看看吧。

什么是光声效应

光声效应,或者叫布里渊散射,是一种光和声波之间的相互作用现象。当一束光通过一个介质时,它会受到介质中的声波的影响,从而产生频率和方向都有所变化的散射光。这个过程可以看作是光子和声子之间的散射。

根据能量和动量守恒的原理,光子和声子之间的散射可以分为两种情况:一种是光子损失能量,声子获得能量,这叫做斯托克斯散射;另一种是光子获得能量,声子损失能量,这叫做反斯托克斯散射。这两种散射都会导致散射光的频率和入射光的频率有一个固定的差值,这个差值就是声子的频率,也叫做布里渊频移。布里渊频移的大小取决于介质的性质和声波的速度,一般在几十到几千兆赫兹的范围内。

如何用光声效应来冷却超声波

我们知道,温度是物质分子运动的平均能量的衡量,温度越高,分子运动越剧烈,反之亦然。声波是分子振动的传播,声波的能量就是分子振动的能量,声波的频率就是分子振动的频率。因此,如果我们想要冷却声波,就要让声波损失能量,降低频率。那么,有没有一种方法,可以让声波和光波相互作用,从而实现声波的冷却呢?答案是有的,那就是利用光声效应中的反斯托克斯散射。



我们可以想象,如果有一束强度很高的激光,沿着一个光纤传播,光纤里面有一种特殊的结构,可以产生超声波。这样,激光就会和超声波发生斯托克斯散射,激光的一部分能量就会转移到超声波上,从而产生一个频率更低的散射光。这个过程就相当于激光给超声波“泵浦”能量,让超声波的能量和频率增加。但是,如果我们把激光的频率调得比超声波的频率低一点,那么斯托克斯散射就会变成反斯托克斯散射,激光就会从超声波上吸收一些能量,从而产生一个频率更高的散射光。这个过程就相当于激光给超声波“抽取”能量,让超声波的能量和频率降低。这样,我们就实现了用光声效应来冷却超声波的目的。

当然,这个过程并不是一次就能成功的,因为超声波和激光之间的相互作用是很微弱的,需要很多次的重复,才能达到明显的效果。而且,我们还要考虑到光纤中的损耗和噪声,以及超声波和环境之间的热交换,这些都会影响冷却的效率和极限。所以,要实现超声波的有效冷却,还需要一些技术上的优化和创新。

新论文做了什么

这篇论文的作者就是做了这样的一项实验,他们用一根 50 厘米长的锥形光子晶体光纤,作为光声效应的介质。光子晶体光纤是一种特殊的光纤,它的芯部有一种周期性的结构,可以对光和声波产生选择性的传输和反射。这样,光子晶体光纤就可以实现对光和声波的同时导引,从而增强光声效应的强度。



他们用一束 1550 纳米的激光,作为泵浦光,沿着光纤的一端输入,用一个光学调制器,给激光加上一个 10.8 千兆赫兹的频率偏移,作为反斯托克斯散射的条件。他们用另一束 1550 纳米的激光,作为探测光,沿着光纤的另一端输入,用一个光学探测器,测量探测光的散射光谱,从而得到超声波的频率和能量。他们用一个压电晶体,作为超声波的激励器,通过给光纤施加周期性的压力,产生 11 千兆赫兹的超声波,作为冷却的目标。

他们的实验结果显示,当泵浦光的功率达到 1.5 瓦时,超声波的频率从 11 千兆赫兹降低到 10.8 千兆赫兹,超声波的能量从 0.5 纳焦降低到 0.1 纳焦,超声波的温度从 300 K 降低到 81 K,实现了超声波的有效冷却。他们还通过理论模拟,证明了这种冷却机制的可行性和稳定性,以及对光纤结构和激光参数的依赖性。他们指出,这种冷却机制的极限温度取决于光纤中的热噪声和光子回收率,理论上可以达到 1 K 以下,甚至接近绝对零度。

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