ENG: Dr. Birgit Stiller and her team at the Max Planck Institute for the Science of Light have made a groundbreaking achievement in cooling traveling sound waves in waveguides using laser light. This significant advancement moves us closer to reaching the quantum ground state of sound in waveguides, essential for quantum communication systems and future quantum technologies. The team’s work contributes to understanding the transition from classical to quantum sound phenomena and reduces unwanted acoustic noise at room temperature.
The primary goal is to reach the quantum ground state of an acoustic wave, minimizing disturbances in quantum measurements by reducing acoustic phonons to nearly zero. This bridges the gap between classical and quantum mechanics. Previously, mechanical vibrations in resonators have been cooled to near the quantum ground state, but achieving this in optical fibers, where high-frequency sound waves propagate, has been challenging. The Stiller Research Group successfully cooled a sound wave in an optical fiber from room temperature to 74 K (-194°C), a reduction of 75% in phonon number. This significant temperature drop was achieved using laser cooling through stimulated Brillouin scattering, where light waves effectively couple with sound waves. This method significantly reduces thermal noise, which disrupts quantum communication systems. The use of glass fibers allows for efficient long-distance transmission of light and sound.
Unlike previous experiments focused on microscopic platforms, this experiment involved cooling a 50 cm long sound wave in an optical fiber. This achievement paves the way for broadband applications in quantum technology and the manipulation of long acoustic phonons. From a quantum perspective, sound is viewed as a particle, the phonon, representing the smallest energy unit in an acoustic wave. Minimizing phonons allows for the observation of quantum sound behavior, especially in the quantum ground state where vibrations are almost frozen. The study by Dr. Stiller and her team opens new experimental possibilities, enhancing our understanding of matter’s fundamental nature. Unlike systems confined between mirrors, waveguides offer a propagating medium for light and sound, enabling a broader bandwidth and potential applications in high-speed communication systems.
RO: Dr. Birgit Stiller și echipa sa de la Institutul Max Planck pentru Fizica Luminii au realizat un avans semnificativ în răcirea undelor sonore care călătoresc în ghiduri de undă folosind lumina laser. Acest progres semnificativ ne apropie de atingerea stării cuantice fundamentale a sunetului în ghiduri de undă, esențial pentru sistemele de comunicații cuantice și pentru viitoarele tehnologii cuantice. Lucrarea echipei contribuie la înțelegerea tranziției de la fenomenele sonore clasice la cele cuantice și reduce zgomotul acustic nedorit la temperatura camerei.
Scopul principal este de a atinge starea fundamentală cuantică a unei unde acustice, minimizând perturbațiile în măsurătorile cuantice prin reducerea fononilor acustici la aproape zero. Astfel se realizează o punte între mecanica clasică și cea cuantică. Anterior, vibrațiile mecanice din rezonatoare au fost răcite până aproape de starea fundamentală cuantică, dar realizarea acestui lucru în fibrele optice, unde se propagă undele sonore de înaltă frecvență, a fost o provocare. Grupul de cercetare Stiller a reușit să răcească cu succes o undă sonoră într-o fibră optică de la temperatura camerei la 74 K (-194°C), ceea ce reprezintă o reducere de 75% a numărului de fononi. Această scădere semnificativă a temperaturii a fost obținută cu ajutorul răcirii cu laser prin împrăștierea stimulată Brillouin, în care undele luminoase se cuplează efectiv cu undele sonore. Această metodă reduce semnificativ zgomotul termic, care perturbă sistemele de comunicații cuantice. Utilizarea fibrelor de sticlă permite transmiterea eficientă pe distanțe lungi a luminii și a sunetului.
Spre deosebire de experimentele anterioare care se concentrau pe platforme microscopice, acest experiment a implicat răcirea unei unde sonore de 50 cm lungime într-o fibră optică. Această realizare deschide calea pentru aplicații în bandă largă în tehnologia cuantică și pentru manipularea fononilor acustici lungi. Dintr-o perspectivă cuantică, sunetul este privit ca o particulă, fononul, care reprezintă cea mai mică unitate de energie dintr-o undă acustică. Minimizarea fononilor permite observarea comportamentului cuantic al sunetului, în special în starea fundamentală cuantică, unde vibrațiile sunt aproape înghețate. Studiul realizat de Dr. Stiller și echipa sa deschide noi posibilități experimentale, sporind înțelegerea noastră asupra naturii fundamentale a materiei. Spre deosebire de sistemele restrânse între oglinzi, ghidurile de undă oferă un mediu de propagare pentru lumină și sunet, permițând o lățime de bandă mai mare și potențiale aplicații în sistemele de comunicații de mare viteză.
Source (Max Planck Institute for the Science of Light, “Towards the quantum of sound”, 18.01.2024)
Paper: Martínez, L.B., Wiedemann, P., Zhu, C., Geilen, A. and Stiller, B., 2024. Optoacoustic cooling of traveling hypersound waves. Physical Review Letters, 132(2), p.023603.
