مشاوره رایگان تحصیلی
منو

سرد و سنگین

+ 94
رأی شما
- 45

به تازگی طرح جدیدی به منظور سرمایش نوسانگر مکانیکی در یک کاواک ارائه شده است. این طرح مشاهده‌ی اثرات کوانتومی در اشیاء بزرگ‌مقیاس را ممکن ساخته و به تحقق آشکارسازهای فوق‌حساس امواج گرانشی می‌انجامد. نقطه‌ی عطفی که در پژوهش اخیر رخ داده عبارت از سرمایش کاواک نوسانگرهای مکانیکی است تا آن‌ها را به رژیمی برساند که کمتر از یک کوانتا حرکت داشته باشند[1]. برای این پژوهش کاربردهای مهمی می‌توان متصور شد: از مشاهدات رفتار کوانتومی در سیستم‌های میکروسکوپیک گرفته تا توسعه‌ی آشکارسازهای فوق‌حساس که قادرند ارتعاشات ناچیزی که از امواج گرانشی ناشی می‌شوند را آشکار سازند؛ چیزی که هنوز دست یافتن به آن‌ها دشوار است. هرچند طرح‌هایی که تا به امروز ارائه شده‌اند نیازمند این هستند که فرکانس نور خنک‌ساز کمتر از فرکانس تشدید کاواک باشد. این میزان بایستی متناظر با فرکانس نوسانگر مکانیکی باشد. این دو فرکانس تنها وقتی متفاوت از هم اندازه‌گیری می‌شوند که فرکانس نوسانگر به حدِ کافی بزرگ باشد؛ کاری که محدودیت مهمی برای آن وجود دارد: نمی‌توان نوسانگرهای سنگین را در فرکانس‌های پائین با این روش‌ها خنک‌ کرد.

اپتومکانیکِ کاواک به مطالعه‌ی اندرکنش میان نور و سیستم‌های مکانیکی می‌پردازد که اغلب اوقات توسط فشار تابش مورد بررسی قرار می‌گیرد. فشار تابش نیروی اعمال شده توسط فوتون‌های برخوردکننده به آینه را توصیف می‌کند. در یک اسباب معمولیِ اپتومکانیکی٬ میکروموج‌ها یا فوتون‌های اپتیکی در کاواکی که توسط دو یا چند آینه تشکیل می‌شود مسیری را طی می‌کنند. یکی از این آینه‌ها٬ شبیه یک نوسانگر مکانیکی که مکان آن در اثر فشار تابش و افت‌وخیزهای دمایی تغییر می‌یابد آزادانه حرکت می‌کند.

اکنون تیمی که توسط رومان اشنابل (Roman Schnabel) از موسسه‌ی آلبرت انیشتین در هانوفر آلمان رهبری می‌شود طرحی اپتومکانیکی را برای سرمایش ارائه داده‌اند که قادر است از شرِّ این نیازمندی تنظیم فرکانسی [2] خلاص شود. اساس دستاورد آن‌ها شکلی نادر از سردسازی اپتومکانیکی است. اپتومکانیک عمدتاً با استفاده از «جفت‌شدگی پاشنده» مورد پژوهش واقع شده است که در آن جابجاشدگی‌های آینه‌ی نوسانگر٬ فرکانس تشدید کاواک را تغییر می‌دهد[3]. محققان در پژوهش حاضر به جای آن بر «جفت‌شدگی اتلافی» تکیه کرده‌اند که در آن نوسانات آینه٬ جفت‌شدگی مابین کاواک و محیط اطراف آن را تغییر می‌دهد.

گسترده‌ترین راه برای سرمایش در رژیم خنک‌سازیِ پاشنده٬ رهیافت «سرمایش کاواک»[3] است. در این روش یک مُد مکانیکی توسط نور و در طول یک فرآیند «پارامتریک» خنک می‌شود: کوانتای تحریکات مکانیکی به فوتون‌های کاواک تبدیل می‌شوند و پس از آن در طول کاواک از بین می‌روند. فرکانس این نور بایستی با فرکانس تشدید کاواک تنظیم شود: نوسانگر مکانیکی٬ نوارهای جانبی با فرکانس کمتر (قرمز) و فرکانس بیشتر (آبی) را تولید می‌کند که به اندازه‌ی مضاربی از فرکانس مکانیکی ωM از تشدید کاواک اختلاف دارد. وقتی فرکانس اصلی پیشران به نوار جانبی قرمزرنگ اول تنظیم شود فوتون‌هایی که وارد کاواک می‌شوند باعث می‌شوند فونون‌هایی با انرژی ћωM  از سیستم مکانیکی به دور رانده شده و به این ترتیب نوسانگر را خنک می‌سازند. در تعدادی از مطالعات پیشین این روش به پژوهش‌گران این امکان را داده تا نوسانگرهای مکانیکی را به حالت پایه‌ی کوانتومی‌شان بیاورند (یعنی حالاتی که در آن‌ها تعداد متوسط تحریکات مکانیکی به کمتر از واحد تقلیل می‌یابد) [1] و این امکان پدید می‌آید تا تبدیل همدوس فوتون‌ها به حرکت مکانیکی و تبدیل فوتون‌های میکروویو به فوتون‌های اپیتیکی تحقق یابد[4]. اما این‌ها سیستم را نیازمند می‌سازد تا در «رژیم نوار جانبی تفکیک‌شده» قرار گرفته باشد: برای آن‌که نوار جانبی قرمز رنگ از فرکانس کاواک قابل تمیز باشد٬ فرکانس نوسانگر مکانیکی (که جابجایی نوار جانبی را تعیین می‌کند) بایستی از پهنای نوار کاواک بزرگ‌تر باشد. سرمایش حالت پایه برای فرکانس‌هایی که پائین‌تر از هزاران مگاهرتز هستند حاصل می‌شود اما دست‌یابی به فرکانس‌های پائین‌تر (همچون فرکانس ۱۰۰ کیلوهرتز از تشدید مکانیکی که توسط تیم اشنابل استفاده شده) نیازمند کاواک‌هایی با پهنای باند بسیار باریک است که اکنون قابل دسترس نیست.

با این حال نظریه‌ی اخیر نشان می‌دهد که اگر جفت‌شدگی اپتومکانیکی از نوع اتلافی باشد٬ خنک‌سازی کاواک بدون نیاز به تفکیک نوارهای جانبی نوسانگر مکانیکی [5] امکان‌پذیر است. در سیستم‌های جفت‌شده‌ی اتلافی دو نوع نیروی افت‌وخیزکننده بر روی تشدیدگر مکانیکی عمل می‌کنند: نوفه‌ای که در نور تزریق شده به کاواک وجود دارد و دیگری نوفه‌ای که در افت‌وخیزهای کوانتومی میدان کاواک است. این دو نوع نوفه (با طیف‌های متفاوت) می‌توانند به شکل مخرب با هم تداخل کنند. چنان تداخلی با انتخاب پارامترهای مناسب می‌تواند چگالی طیفی این نوفه را به فرکانس (ωM) نوسانگر تقلیل داده و به شکلی موثر آن را خنک سازد. این سازوکار که نیازی به تفکیک نوارهای جانبی ندارد٬ قادر است با فرکانس نوسانگر پائین نیز کار کند.

 

شکل ۱) طرحی از اسباب اپتومکانیکی که توسط ساوادسکی (Sawadsky) و همکارانش [2]ارائه شده است. نور لیزر در کاواکی که توسط تداخل‌سنج مایکلسون-ساگاک تشکیل شده و یک آینه‌ی بازیافت سیگنال (SRM) با بازتاب بالا می‌چرخد. تداخل‌سنج مایکلسون-ساگناک شامل یک غشای نیترید سیلیکونی (SiN) است که همچون یک نوسانگر مکانیکی با فرکانس ۱۳۶ کیلوهرتز عمل می‌کند. غشای نیترید سیلیکونی قادر است هم فرکانس کاواک (جفت‌شدگی پاشیدگی) و هم پهنای باند (جفت‌شدگی اتلافی) را کنترل کند. با بالانس صحیح این دو جفت‌شدگی٬ نور لیزر٬ نوسانگر مکانیکی را تا دمای موثر ۱۱۱ میلی‌کلوین خنک می‌سازد.

پژوهش‌گران این تحقیق از جفت‌شدگی اتلافی و جفت‌شدگی پاشنده پشت سرهم استفاده کرده‌اند تا به شکل تجربی فرم عمومی سرمایش اپتومکانیکی را به اثبات برسانند. در اسباب آن‌ها (شکل ۱ را ببینید) کاواک اپتیکی با یک تداخل‌سنج مایکلسون-ساگناک ایجاد می‌شود و یک آینه‌ی «بازیافت سیگنال» با بازتاب بالا در خروجی این تداخل‌سنج قرار گرفته است[7]. در این تداخل‌سنج٬ نور با شکافنده‌ای تقسیم شده و در دو جهت مختلفِ یک کاواک حلقوی منتشر می‌شود. این آینه به طریقی عمل می‌کند که تشدید کاواک را تنظیم کرده و با ارسال مقداری نور به عقبِ تداخل‌سنج٬ میدان نوری را در کاواک تقویت می‌کند. در داخل تداخل‌سنج یک غشای نیترید سیلیکونی متحرک به عنوان یک نوسانگر مکانیکی با فرکانس ۱۳۶ کیلوهرتز عمل می‌کند. مکان آن٬ هم مقدار نور داخل کاواک را تغییر می‌دهد و هم نوری که از بخش خارجی گسیل می‌شود. بنابراین هم پهنای باند را تحت تاثیر قرار می‌دهد و هم فرکانس تشدید کاواک را. از طریق این غشاء جفت‌شدگی پاشنده (یعنی مدوله‌سازی فرکانس کاواک) و جفت‌شدگی اتلافی (یعنی مدوله‌سازی پهنای باند) تحقق می‌یابد. در این آزمایش پهنای باند کاواک بین ۰/۷ و ۱/۵ مگاهرتز قابل تنظیم بوده و بسیار بزرگ‌تر از فرکانس نوسانگر مکانیکی است.

در تقابل کامل با سیستم‌های جفت‌شده‌‌ی پاشنده٬ آزمایش اشنابل و همکارانش سرمایش نوسانگر مکانیکی را در طول گستره‌ی وسیعی از فرکانس‌ها (بالاتر و پائین‌تر از فرکانس کاواک) به نمایش گذاشته است. مهم‌تر از همه٬ سرمایش توسط یک منبع نوری (با فرکانس دلخواهی نزدیک به فرکانس تشدید کاواک) نیز امکان‌پذیر است. بنابراین این اسباب قادر است تا نوسانگرهای سنگین را با فرکانس‌های کم خنک کند. پژوهش‌گران٬ دمای موثر غشای نوسان‌کننده را با نظارت بر نوفه‌ی حاصل از جابجاگری‌های غشاء اندازه گرفته‌اند. از یک دمای اولیه‌ی ۳۰۰ کلوین٬ مُد مکانیکی به دمای موثر ۱۱۱ میلی‌کلوین رسیده است؛ یک کاهش سه مرتبه‌ای از  اشغال دمایی این مُد مکانیکی.

طرحی که اشنابل و همکارانش ارائه داده‌اند راه‌های جدیدی را به سوی تحقق طرح‌های سرمایش اپتومکانیکی باز می‌کند که متناسب با تعداد زمینه‌های پژوهشی است. اولاً این امکان فراهم می‌شود تا آینه‌های بسیار سنگین تا حالت پایه‌ی کوانتومی خود خنک شده و از این طریق امکان آزمودن اثرات کوانتومی در مقیاس‌های بزرگ فراهم می‌شود [3]: نوسانگرهای ساخته شده از میلیون‌ها اتم می‌تواند درهم‌تندیده شده یا در یک برهم‌نهی از حالات کوانتومی فراهم شوند و برای مثال «گربه‌های شرودینگرِ» بزرگ‌مقیاس را تحقق بخشند. ثانیاً چون حرکت مکانیکی قادر است انرژی ذخیره شده در یک سیستم را تحت تاثیر قرار دهد٬ می‌توان تشدیدگرهای مکانیکی را به انواع گوناگونی از سیستم‌های کوانتومی (مثل کیوبیت‌های ابررسانا٬ اتم‌های سرد و میکروکاواک‌های نیمه‌رسانا) جفت کرد. بنابراین این تشدیدگرها می‌توانند بعنوان محیطی برای اتصال قطعاتی که در گستره‌های فرکانسی متفاوت کار می‌کنند بکار رفته و ساخت سیستم‌های اطلاعاتی کوانتومی هیبریدی [4] را سهولت بخشد. اما یکی از جذاب‌ترین کاربردها در آشکارسازهای موج گرانشی (GW) خواهد بود. آزمایش «LIGO پیشرفته» [8] و توسعه‌ی آینده‌ی لیگو (رصدخانه‌ی موج-گرانشی تداخل‌سنج لیزری-Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) از اسباب تداخل‌سنجی مشابهی با تداخل‌سنج مایکلسون و آینه‌ی بازیافت سیگنال استفاده خواهند کرد. در چنان سیستمی یک جرم آزمون بعنوان یک نوسانگر مکانیکی عمل می‌کند که می‌تواند امواج گرانشی را آشکارسازی کند. پیش‌بینی شده است [9] که میدان اپتیکی در کاواک٬ یک «فنر اپتیکی» را تولید خواهد کرد که بر روی این جرم همچون یک فنر الاستیک عمل کرده و حساسیت آشکارساز را افزایش می‌دهد. متاسفانه پژوهش بیشتری که انجام یافته [7] نشان داده است که جفت‌شدگی اپتومکانیکی خالص پاشنده٬ همچون فنر اپتیکی٬ ذاتاً ناپایدار بوده و به نوسانات مکانیکی غیرقابل کنترل می‌انجامد. اما می‌توان به این مشکل با اضافه کردن جفت‌شدگی اتلافی (استفاده از اثر متقابل آن با جفت‌شدگی پاشنده برای پایدارساختن نوسانگر مکانیکی [7]) فائق آمد. این نمایشِ آزمایشگاهی جدید توانسته مسیر مهمی به سوی آشکارسازهای موج گرانشی حساس‌تر بگشاید.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.       

psi.ir          

+ 94
رأی شما
- 45



www.HUPAA.com
محک
مشاوره رایگان تحصیلی
● مقالات فیزیک
● اخبار فیزیک
● مطالب پربیننده
● مجله علمی
● کوانتوم و فیزیک جدید
● الکترومغناطیس
● نظریات ایرانی
● نجوم و اخترفیزیک
● فلسفه و متافیزیک
● نانوتکنولوژی
● برق و الکترونیک
● هواشناسی و فیزیک جو
● فیزیک نور و اپتیک
● مکانیک و ترمودینامیک
● مطالب متفرقه
● معرفی کتاب
● دانشمندان
● فیزیک در ایران
● سایتهای فیزیک انگلیسی
● سایتهای فیزیک فارسی
● دانلود نرم افزار
● تصاویر دیدنی
● پزشکی و سلامت
امکانات
● خانه
● انجمن فیزیکدانان جوان ایران
● درباره ما
● سفارش آگهی
● تماس با ما
● عضویت در انجمن
● ورود
● RSS
آگهی های متنی
آموزش زبان انگلیسی
سگال - موسسه خیریه حمایت از کودکان فلج مغزی
ادامه تحصیل در خارج از کشور
ادامه تحصیل در خارج از کشور
ادامه تحصیل در خارج از کشور
ادامه تحصیل در خارج از کشور
ادامه تحصیل در خارج از کشور
ادامه تحصیل در خارج از کشور
مشاوره رایگان تحصیلی
آخرین گفتگوها در انجمن
جنس زمان از چیست؟ اصلا زمان چیست؟ (227 پاسخ)
چه شد که بیگ بنگ رخ داد؟ (19 پاسخ)
زمین تخت گرایان (189 پاسخ)
فرق میان امواج گرانشی با امواج الکترومغناطیسی (4 پاسخ)
نظر شما درباره ی شکست تقارن ماده و ضد ماده (3 پاسخ)
نسبیت برای نور (8 پاسخ)
ناوردایی نسبت به زمان (2 پاسخ)
فرمول کولن (3 پاسخ)
نیروی وارد بر قاعده از طرف آب (9 پاسخ)
سوال درباره پیچ جاده (2 پاسخ)
اگر چرخش زمین و ماه در یک جهت نبود چی می شد ؟ (0 پاسخ)
سوال از تبدیل ماده به انرژی (28 پاسخ)
معادله حرکت بر روی سطح شیبدار با شتاب ثابت (11 پاسخ)
با باقیمانده بافت مغز پس از جراحی چه می‌توان کرد؟ (0 پاسخ)
انرژی به ماده (1 پاسخ)
زبان اعداد و طیف ارتعاشی آنان در زندگی (3 پاسخ)
اصل طرد پاولی (2 پاسخ)
نمودار سه بعدی تبدیل جرم به انرژی (0 پاسخ)
چرا الکترون روی هسته سقوط نمیکند؟ (17 پاسخ)
سوالی در باب مسئله درهم تنیدگی کوانتومی (13 پاسخ)
معرفی مجله (0 پاسخ)
درهم تنیدگی برای ذراتِ تابش هاوکینگ (0 پاسخ)
بیا تو سوال بپرس (229 پاسخ)
تحولات کره در فضای ثابت و منبسط شونده (3 پاسخ)
پارادوکسی جدید در همزمانی (28 پاسخ)
سیاهچاله (4 پاسخ)
میدان هیگز (0 پاسخ)
بهترین نرم افزار محاسبات فیزیک (1 پاسخ)
تناقض در دو جنبه اصل نسبیت؟ (30 پاسخ)
چگونه بدانیم قلبمان سالم است؟ (0 پاسخ)
معادلات حرکت با سرعت فراتر از نور (3 پاسخ)
بازی با احتمالات (5 پاسخ)
نسبیت به زبان ساده (150 پاسخ)
تاریخچه گشتامد دنباله دار هالی (0 پاسخ)
بعد از نظر فیزیک (3 پاسخ)
چرا پروتون، الکترون را جذب می‌کند؟ (3 پاسخ)
تعادل در هسته مرکزی زمین (2 پاسخ)
عبور از افق رویدادِ یک سیاهچاله (2 پاسخ)
آیا میدان هیگز نوسانی است؟ (0 پاسخ)
موتور بدون سوخت+Free Energy (11 پاسخ)
میدان مغناطیس زمین و تولید نیروی برق( طرحی جالب) (21 پاسخ)
آیا انرژی جرم دارد ؟ (31 پاسخ)
شعاع شوارتزشیلد و نقطه ی تکینگی (17 پاسخ)
سوال وزنه و فنر (0 پاسخ)
علت عبور نور مریی از شیشه سربی بر خلاف گاما (26 پاسخ)
سوال در مورد اصطکاک (29 پاسخ)
حدس گلادباخ (80 پاسخ)
تکنیک حل معادله (4 پاسخ)
برای سفر انسان به مریخ، چه امکاناتی لازم است و این سفر چه مد (1 پاسخ)
مختصات رئوس مربع ها چگونه بدست می آید؟ (4 پاسخ)
جلوگیری از انتشار میدان مغناطیسی (9 پاسخ)
چرا پروتون سبکتر از کوارک است؟ (4 پاسخ)
آزمایش لوله پرتو کاتدی (20 پاسخ)
سفر در زمان با خواب مصنوعی (0 پاسخ)
پارادوکس EPR (8 پاسخ)
چرا آهنربا چوب رو جذب نمیکنه ولی آهن رو جذب میکنه؟ (13 پاسخ)
آهنربای النیکو (1 پاسخ)
چطور میتونم خلاء درست کنم؟! (8 پاسخ)
تیر رعد و برق (6 پاسخ)
کرم‌چاله چیست؟ (0 پاسخ)
مقالات فیزیک
ماموریتی جدید برای شناحت بیشتر خورشید
سلول‌هایی خورشیدی که در شب هم کار می‌کنند
اجداد ما، در چه‌جور جایی زندگی می‌کردند؟
نحوه‌ی صحیح زدن ماسک بهداشتی
ضربان قلب انسان‌ها چقدر به یکدیگر شباهت دارد؟
حسگری که باعث ارتقای صنعت کشاورزی می‌شود
شاید راز بزرگ کیهان در این کشف باشد
یوکوهاما تایرهای کلاسیک تولید می کند
هوش‌مصنوعی، قوانین اساسی مکانیک کوانتومی را یاد گرفت
آیا خوردن سوسیس و کالباس، واقعاً خطرناک است؟
چطور در قوطی را بدون در بازکن، باز کنیم؟
مغز افراد مبتلا به شیزوفرنی، چه تفاوتی با مغز افراد سالم دارد؟
تصویری زیبا از کهکشانی مارپیچی
چین پیشتاز محدود کردن استفاده از پلاستیک‌های یک‌بار مصرف
چطور خشکی چشم را به طور طبیعی درمان کنیم؟
تامین انرژی در ژاپن صددرصد تجدید‌پذیر می‌شود
در کهکشان‌های کوتوله چه خبر است؟
آیا متوسط دمای بدن انسان‌ها، تغییر کرده است؟
چطور سر صحبت را با کسی باز کنیم؟
آیا واقعاً دانشمندان رباتی با سلول‌های زنده ساخته‌اند؟
تاثیر منفی مصرف ماریجوانا بر روی حافظه
تاثیر باورنکردنی انقلاب صنعتی بر رشته‌کوه هیمالیا
تفاوت سیاره‌های غول‌پیکر با ستاره‌های کوتوله در چیست؟
چگونه می‌توان فلز را به عایق تبدیل کرد؟
ساخت دستگاهی هوشمند برای تنظیم قند خون
چطور در خانه آب مقطر تهیه کنیم؟
گونه‌های نادر حیوانات و گیاهان نیز زاغه‌نشین می‌شوند!
چرا برخی افراد در مقابل آنفلوآنزا ضعیف‌تر هستند؟
داستان واضح‌ترین تصویر از کورونای خورشیدی
نحوه تمیز کردن کتری برقی
ادامه ...
اخبار فیزیک
یافته های تازه دانشمندان ممکن است سفر در زمان را غیرممکن کند!
نگاهی به دوردست‌های کیهان به کمک یک خوشه کهکشانی غول‌پیکر
سنجش ذرات در کیهان اولیه
پیش‌بینی جرم ذره «هیگز» توسط سیمپسون‌های کارتونی 14 سال قبل از سرن!
فریب فوق‌العاده نور توسط محقق ایرانی
طراحی پای مصنوعی دارای سیستم بینایی توسط دانشمندان ایرانی
حل یک مساله سی‌ساله فیزیک شبیه‌سازی مواد ابررسانا با اتم‌های فوق سرد با همکاری فیزیکدان ایرانی
مخترع لیزر چارلز تاونز در 99 سالگی درگذشت
حل معماهای فیزیک در آزمایشگاه‌های ارزان بجای شتاب‌دهنده‌! مشاهده حالت بوزون هیگزی در ابررسانا برای نخستین بار
سه ایرانی در میان 100 نفر کاندیدای نهایی سفر بی بازگشت به مریخ
آمادگی برخورددهنده بزرگ هادرونی برای کشف یک ذره جدید
مشاهده پیوند شیمیایی اتم‌ها و تشکیل مولکول برای نخستین‌بار
کشف عجایب حبابی با سی‌تی اسکن درون یک ابرنواختر
لوح انجمن جهانی نفرولوژی به «پدر علم نفرولوژی ایران» اعطا می‌شود
چرا برخی کهکشان‌ها جوانمرگ می‌شوند؟
ادامه ...
مطالب پربیننده
نور آبی آنقدرها هم برای سلامتی شما مضر نیست (0+)
چگونه می‌توان همیشه در سنگ، کاغذ، قیچی برنده بود؟ (0+)
تولید انرژی از پشت سلول‌های خورشیدی (0+)
دانشمندان منشاء زلزله در مریخ را پیدا کردند (0+)
کشف دیواری باستانی در کرمانشاه (0+)
پرورش گوجه فرنگی‌های بهتر با ویرایش ژنی‌ (0+)
چگونه با ویروس کرونا مقابله کنیم؟ (0+)
راهی برای حذف دی‌اکسیدکربن از صنایع (0+)
روشی که پُرخوری را کنترل می‌کند (0+)
۱۱ راز درباره‌ی ماده‌ی تاریک (0+)
چطور خودمان را دوست داشته باشیم؟ (0+)
غذاهای چرب چه بلایی بر سر بدن ما می‌آورند؟ (0+)
ماجرای ادعایی جنجالی درباره‌ی مریخ (0+)
در اعماق سرزمین جنوبگان چه خبر است؟ (0+)
چه‌کار کنیم که فراموشی نگیریم؟ (0+)
ادامه ...