(izquierda) Modelo de ciclo de enfriamiento:un láser externo bombea átomos a un subespacio de dos niveles acoplado directamente a un resonador mecánico; La absorción de fonones da como resultado el enfriamiento del sistema mecánico. (derecha) Esquema de un resonador mecánico que interactúa con un conjunto atómico. El perfil de deformación diseñado se acopla a los estados oscuros entrelazados del conjunto, lo que da como resultado un enfriamiento óptimo. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
Los investigadores del Centro de Materiales a Nanoescala presentan un modelo cuántico para lograr el enfriamiento del estado fundamental en resonadores mecánicos de baja frecuencia y muestran cómo la cooperatividad y el entrelazamiento son factores clave para mejorar la figura de mérito del enfriamiento.
Un resonador con ruido térmico cercano a cero tiene mejores características de rendimiento en la detección a nanoescala, memorias cuánticas, y aplicaciones de procesamiento de información cuántica. Técnicas de enfriamiento criogénico pasivo, como refrigeradores de dilución, han enfriado con éxito resonadores de alta frecuencia pero no son suficientes para sistemas de baja frecuencia. El efecto optomecánico se ha aplicado con éxito para enfriar sistemas de baja frecuencia después de una etapa de enfriamiento inicial. Este método acopla paramétricamente un resonador mecánico a una cavidad óptica accionada, y, mediante un cuidadoso ajuste de la frecuencia de transmisión, logra el efecto de enfriamiento deseado. El efecto optomecánico se expande a un enfoque alternativo para el enfriamiento del estado fundamental basado en defectos de estado sólido incrustados. Se propone la ingeniería de los parámetros de acoplamiento átomo-resonador, utilizando el perfil de deformación del resonador mecánico que permite que el enfriamiento continúe a través de los estados oscuros entrelazados del conjunto del sistema de dos niveles. Este enfoque permite el enfriamiento del estado fundamental a pesar de las débiles fuerzas de interacción que se ven comúnmente en entornos experimentales. El enredo y los efectos cooperativos son factores clave para potenciar la refrescante figura del mérito.
Los resultados se aplican a una variedad de sistemas, como los centros vacantes de silicio y nitrógeno en puntos de diamante y cuánticos, y promover el potencial de miniaturización y funcionamiento a temperatura ambiente necesarios para aplicaciones tecnológicas a largo plazo. Este trabajo allana el camino para experimentos de enfriamiento en estado fundamental utilizando defectos de estado sólido. El enfoque, accesible para demostraciones experimentales y universal para una variedad de sistemas, supera los principales obstáculos que han bloqueado la realización del enfriamiento del estado fundamental utilizando defectos de estado sólido incrustados.
Simulaciones cuánticas rigurosas de sistemas interactivos de 2 niveles (átomos, Centros NV, etc.) incrustado dentro de un resonador mecánico (por ejemplo, voladizo a microescala). La ingeniería de la fase local de las resistencias del acoplamiento utilizando el perfil de deformación en resonadores mecánicos permite un enfriamiento eficiente mediado por la cooperatividad y el entrelazamiento.
