Вибрирующие последовательности и мембраны в основе многих музыкальных инструментов. Щипание последовательности волнует его колебания на частоте, определенной ее длиной и напряженностью.
Кроме основной частоты – соответствия музыкальной ноте – последовательность также вибрирует на более высоких частотах. Этот подтекст влияет, как мы чувствуем ‘звук’ инструмента и позволяем нам говорить гитару от скрипки. Точно так же избиение кожи барабана волнует колебания многими частотами одновременно.
Эти вопросы не отличаются, когда сокращение, от барабана баса полуметра в классическом оркестре к половине миллиметра измерило мембрану, изученную недавно в Институте Нильса Бора. И все же, некоторые вещи не то же самое вообще: используя сложные оптические техники измерений, руководитель группы профессором Альбертом Шлиссером мог показать, что колебания мембраны, включая весь ее подтекст, следуют странным законам квантовой механики. В их эксперименте эти квантовые законы подразумевали, что простая попытка точно измерить мембранные колебания устанавливает его в движение. Как будто смотрение на барабан уже заставило его жужжать!
‘Барабан’ со многими тонамиХотя мембрана, исследованная командой Института Нильса Бора, может быть замечена голыми глазами, исследователи использовали лазер, чтобы точно отследить мембранное движение. И это действительно показывает много резонансов вибрации, все из которых одновременно измерены.
Их частоты находятся в диапазоне Мегагерца, приблизительно в тысячу раз выше, чем звуковые волны, которые мы слышим, по существу потому что мембрана намного меньше, чем музыкальный инструмент. Но аналогии продолжаются: точно так же, как скрипка кажется отличающейся в зависимости от того, где последовательность поражена (sul tasto против sul ponticello), исследователи могли сказать от спектра подтекста, которым местоположением их мембрана была взволнована лазерным лучом.Все же наблюдение тонких квантовых эффектов, которыми больше всего интересовались исследователи, потребовало еще нескольких уловок.
Альберт Шлиссер объясняет: «На этот раз есть проблема вибрационной энергетической потери, приводя к тому, что мы называем квантом decoherence. Думайте о нем этот путь: в скрипке Вы обеспечиваете тело резонанса, которое берет колебания последовательности и преобразовывает их к звуковым волнам, унесенным воздухом.
Это – то, что Вы слышите. Мы должны были достигнуть точно противоположного: ограничьте колебания мембраной только, так, чтобы мы могли следовать за ее безмятежным квантовым движением максимально долго.
Для этого мы должны были развивать специальное ‘тело’, которое не может вибрировать на частотах мембраны».Это было достигнуто так называемым phononic кристаллом, регулярным образцом отверстий, который показывает phononic запрещенную зону, то есть, группу частот, на которых не может вибрировать структура. Егиш Тсэтурьян, студент доктора философии в команде, понял мембрану с таким специальным телом в нанозаводах Danchip в Lyngby.Вторая проблема состоит в делании достаточно точных измерений.
Используя методы от области Optomechanics, который является экспертными знаниями Шлиссера, команда создала специальный эксперимент в Институте Нильса Бора, на основе лазера, сделанного на заказ к их потребностям и паре высокого отражения зеркал, между которыми устроена мембрана. Это позволило им решать колебания с амплитудами, намного меньшими, чем радиус протона (1 femtometer).
«Делание измерений, настолько чувствительных, не легко, в особенности так как насосы и другое оборудование лаборатории вибрируют с намного большими амплитудами. Таким образом, мы должны удостовериться, что это не показывает в нашем отчете измерения», добавляет студент доктора философии Уильям Нильсен.Вакуум хвастаетсяВсе же это – точно диапазон измерений ультраточности, где это становится интересным.
Затем это начинает иметь значение, что, согласно квантовой механике, процесс измерения движения также влияет на него. В эксперименте это ‘квантовое измерение backaction’ вызвано неизбежными квантовыми колебаниями лазерного света. В структуре квантовой оптики они вызваны квантовыми колебаниями электромагнитного поля в пустом месте (вакуум). Странный, поскольку это звучит, этот эффект оставил ясные подписи в данных экспериментов Института Нильса Бора, а именно, сильных корреляциях между квантовыми колебаниями света и механическом движении, как измерено при свете.
«Наблюдение и определение количества этих квантовых колебаний важны, чтобы лучше понять, как они могут затронуть ультраточность механические измерения – то есть, измерения смещения, скорости или ускорения. И здесь, многорежимная природа мембраны играет роль: мало того, что это – более точное представление реальных датчиков.
Это может также содержать ключ, чтобы преодолеть некоторые традиционные квантовые пределы точности измерения с более сложными схемами, эксплуатируя квантовые корреляции», Альберт Шлиссер говорит и добавляет, это в конечном счете, квантовые эксперименты с еще более сложными механическими объектами могут также предоставить ответ на вопрос, почему мы никогда не наблюдаем басовый барабан в квантовом суперположении (или будем мы?).