МИЛЛИГРАММОВЫЙ РОТОР, УДЕРЖИВАЕМЫЙ НА МЕСТЕ НАБЛЮДЕНИЕМ

За последние двадцать лет физики научились управлять механическими объектами вблизи их квантовых пределов — от наномасштабных резонаторов массой в фемтограммы до многокилограммовых зеркал детекторов гравитационных волн. Но почти все они — осцилляторы: что-то, например пружина, возвращает их к центру. Простейшая система квантовой механики, свободная частица, которую ничто не тянет назад, такому управлению не поддавалась. На низких частотах, где разворачивается свободное движение, трение и шум окружения заглушают всё.

А ведь именно свободные массы нужны для нескольких больших вопросов: чтобы проверить, является ли гравитация квантовой, исследовать предлагаемые изменения квантовой механики, искать новые короткодействующие силы.

Зеркало на стеклянной нити

Уманг Мишра (Umang Mishra), Теодор Стрёмберг (Teodor Strömberg), Онур Хостен (Onur Hosten) и их коллеги из Института науки и технологий Австрии создали тестовый объект: зеркальный брусок массой 1 миллиграмм из плавленого кварца длиной 2 миллиметра, подвешенный на кварцевом волокне длиной 15 сантиметров и толщиной 1 микрометр, в вакууме ниже 10⁻¹⁰ миллибар. Строго говоря, это крутильный маятник, который совершает одно колебание туда и обратно каждые 15 секунд. Но на важных здесь временных масштабах, в десятки миллисекунд, он почти не чувствует этой возвращающей силы: он ведёт себя как свободный объект.

Его изоляция предельна. Команда измерила случайные моменты сил, которые его раскачивают, и не обнаружила шума сверх того, который давала бы скорость затухания всего в 7 наногерц. Если использовать брусок как акселерометр, его кончик был бы почти в сто раз чувствительнее, чем в лучших прежних экспериментах при такой массе.

Чтобы наблюдать за ним, «двойной оптический рычаг» отражает от зеркала два лазерных луча в противоположных направлениях, так что дрожание самого лазера взаимно компенсируется и остаётся только вращение бруска. Третий луч может толкать брусок давлением света. Вся установка стоит на платформе сейсмической изоляции, а небольшой интерферометр с собственным подвешенным зеркалом отслеживает любое остаточное движение этой платформы.

Измерение вместо ловушки

Ключевая идея в том, что непрерывное измерение может заменить ловушку. Если свободный объект предоставлен самому себе, неопределённость его положения и скорости всё время растёт. Если же измерять его без перерыва, его траектория раскрывается по ходу движения, и наше знание о его состоянии приходит к устойчивой конечной размытости. Здесь эта размытость стабилизируется примерно за 26 миллисекунд.

Эту остаточную неопределённость можно перевести в температуру с помощью хрестоматийного определения, связывающего температуру с изменениями энтропии. Эта «энтропийная температура» показывает, насколько точно известно движение ротора, и позволяет сравнивать свободные объекты с осцилляторами.

Команда захватила брусок светом, отпустила его и записала угол его поворота в 100 отрезках по 1,25 секунды. Сравнивались два способа восстановить его состояние: «каузальная» оценка, использующая только прошлые измерения, и «сглаженная», в которой используются также измерения, сделанные позже. Разница между ними дала новый способ проверить, насколько хорошо состояние известно на самом деле.

140 нанокельвинов

• Только по прошлым данным состояние ротора соответствует 1,2 микрокельвина.
• Со сглаживанием оно опускается до 140 нанокельвинов — 140 миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля.

Это примерно на два порядка холоднее, чем в прежних настольных экспериментах с механическими объектами. Авторы отмечают, что это выводит такие системы в ультрахолодный режим, до сих пор связанный главным образом с облаками атомов, охлаждённых испарением. Обычное охлаждение с обратной связью не позволило бы его достичь.

Существует нижний предел. Для такого уровня изоляции модель предсказывает, что температура не может опуститься ниже примерно 15 нанокельвинов: согласно принципу неопределённости Гейзенберга, всё более точное измерение положения всё сильнее размывает скорость вращения.

Чем полезна тихая свободная масса

Сразу напрашиваются два применения. Некоторые теории изменяют квантовую механику так, что квантовая размытость самопроизвольно коллапсирует, а это добавило бы слабое случайное дрожание любому объекту. Измеренная неподвижность ротора исключает новый диапазон таких моделей на низких частотах, дополняя ограничения, полученные космической миссией LISA Pathfinder.

Второе применение — гравитация. Может ли гравитация запутывать две массы — центральный открытый вопрос. По используемому командой показателю качества два таких ротора уже превзошли бы любую ранее продемонстрированную систему почти на два порядка по соотношению между созданием запутанности и её потерей, хотя до цели им ещё далеко. Добавление скромного оптического резонатора для считывания вращения, пишут авторы, сделало бы необходимую чистоту достижимой.