“冻结”无线电波

撰稿 | Kiron（中科院半导体所，博士生）

热是一个既古老又新颖的话题。一百多年以来，从热力学三定律建立到利用激光来降低原子乃至固体温度，科学家们对热本质的理解不断深入。从宇宙学研究到电路系统，热噪声（名词解释>）是必须要考虑的因素。

通常情况下，热噪声并不会对人们日常生活造成任何影响。然而，如果我们想要探测较弱的信号，比如被认为占宇宙质量85%的暗物质（名词解释>），热噪声就成为必须要考虑的因素。

宏观上，如果说一个物体冷或热，则表现为温度的高或者低。统计热力学告诉我们物体的宏观特征取决于组成系统微观粒子的性质。在固体中由于周期性结构，原子在其平衡位置振动会在材料中产生格波，人们把格波抽象为一种准粒子——声子。

而固体就是一种宏观系统，其内部电子，原子，声子等行为决定着金属，半导体材料等凝聚态体系的物理性质。声子的描述通常可以用简谐振子（名词解释>）来描述，最简单的简谐振子如下图所示。

图1：简谐振子

弹簧两端连接两个小球，它们分别在平衡位置附近做往复运动。如果我们把它想象在三维空间中，原子方向是可以任意取的，那么我们就说存在多种声学模式。同样在单位周期内，原子往复运动的振幅也可以是任意的。而温度决定这种振动在单位周期内的振幅大小。因此，我们可以认为单位时间的振幅越大，简谐振子的温度越高，我们称这种由于温度所导致的振动叫热振动。

在我们生活的空间传播着不同波长的电磁波，比如无线电波，红外线，可见光，紫外线。无线电波（名词解释>）的频率较低（300GHz以下），是我们通信广播常用的波段。

用来发射无线电波的天线通常用金属组成，我们都知道任何物质都是由原子（分子）组成。因此，金属原子的热振动会在系统中引入热噪声，这些热噪声反映了天线的温度。

我们在收听电台广播中，这种热噪声是一直存在的。幸运地是无线电波的能量远大于热噪声的能量，所以我们感受不到它的存在。但如果我们想要探测更低能量的信号比如兆赫兹频率的信号时，能否冷却天线避免热噪声的干扰就成为关键问题。

我们很容易想象冷却原子，似乎很难想象冷却无线电波。

图2：将无线电波冷却到量子基态

最近荷兰代尔夫特理工大学的研究团队利用两个通过光压相互作用耦合在一起的超导LC 电路实现了热射频电路的边带冷却,极大地减少了热噪声的影响，将射频电路冷却到了量子基态。

该成果以“Cooling photon-pressure circuits into the quantum regime”为题在Science Advances发表。

波的冷却

一般情况下，如果想降低物体的温度，只要将其放置在非常冷环境中就可以了，通过热交换降低物体温度。比如，近几年出现了可以在液氮温区（77 K）工作的高温超导体，在医疗中使用的核磁共振成像仪中的超导体就需要在液氦温区（4K）才能工作，如果要实现更低的温度就要用到稀释制冷机（其利用He₃/He₄的相变吸热），它们可以将温度降低到mK量级，这也是实验室中通常能提供的最低的低温环境。

得益于实验测试手段及微加工工艺的飞速进步，光学、红外线和千兆赫频率望远镜已经使用量子技术来冷却电磁辐射，但这些技术无法处理数百兆赫兹的频率，恰好是无线电波的频率。

目前的低温技术还远远不能满足人们对低温的极致追求。

上面提到的简谐振动会在材料中引入振动能级。如果想实现更低的温度，那么就要求冷却振动到量子基态（名词解释>）。而光力可以实现机械振子的边带冷却。

名词拓展

光力（Optomechanics）是用激光来控制机械振子的运动，而机械振子通常是微米级或纳米级谐振器件。

除了探测谐振器件的运动，激光还可以从系统中去除能量使谐振器件达到一个振动能量或者一个声子的量子极限。

边带冷却

图3左图所示，是通常情况下的光子压力耦合系统，左边是光学微腔，右边是宏观机械振子，其中光学微腔和机械振子都存在固有频率。

当光学微腔腔镜均匀且损耗较小时，光子会在腔中发生多次反射。腔中光子反射会引起机械振子振动，机械振子的振动反过来也会引起腔体长度发生改变。二者之间存在强耦合和反馈机制，因此通过光子压力耦合系统可以单独调谐光学微腔和机械振子。通过合理选择特定的入射光子频率，可以使机械振子调到红失谐和蓝失谐状态，实现机械振子的冷却和加热。

图3：光力系统-光学领域、微波领域

图3右图是LC振荡电路（名词解释>）的示意图，LC电路由一个电感（L）和一个电容（C）连在一起的电路。如果我们将图3左右两幅图的系统拉格朗日量（名词解释>）写出，我们会发现两者描述的物理过程是一致的，因此我们可以将简谐振子量子化推广到LC振荡电路中。LC振荡电路由电感和电容组成，两个平行板组成电容。本质上LC振动电路是光子压力耦合系统在微波领域的体现。

研究人员通过设计在热射频电路和高频超导量子干涉腔之间建立了光子压力耦合系统。电路中谐振频率可以被另一个电路调谐如图4所示。通过这种光子压力耦合，热射频电路的热量可以通过高频电路不断带走，他们观察到杂化简正模式的剩余热涨落并证明了射频模的基态冷却(边带冷却)。同时，在实验中他们提高一个数量级的单光子耦合强度，远强于目前报道的最好结果。

图4：可调谐光压相互作用的两模式超导LC电路示意图，电路图的左边是射频电路，右边是高频电路部分

图4中射频模式电路由大平板电容器CRF和短电感线L₀组成，其中电容的中间绝缘层由非晶硅构成。超导量子干涉器件（名词解释>）由两个收缩性约瑟夫森结（名词解释>）组成，它将射频电路和高频电路连接起来。电路耦合效果通过共面波导线来读取信号。通过将泵浦频率调谐到高频模式的红失谐边带实现冷却。

作者设计的这种光子压力耦合技术，预计会在检测超弱磁共振 (MRI) 信号，以至量子计算和量子传感方面有广阔的应用前景。在量子传感应用领域，该技术可以帮助寻找暗物质，可以解释重力和宇宙学中的悬而未决的问题。

论文信息：

Rodrigues et al., Sci. Adv. 2021; 7 : eabg6653

https://doi.org/10.1126/sciadv.abg6653

参考文献：

[1] Marquardt F, Chen J P, Clerk A A, et al. Quantum theory of cavity-assisted sideband cooling of mechanical motion[J]. Physical review letters, 2007, 99(9): 093902.

[2] Teufel J D, Donner T, Li D, et al. Sideband cooling of micromechanical motion to the quantum ground state[J]. Nature, 2011, 475(7356): 359-363.

[3] Aspelmeyer M, Kippenberg T J, Marquardt F. Cavity Optomechanics [J]. Reviews of Modern Physics, 2014, 86(4): 1391.

[4] 宿非凡.超导电路的量子化方法[J].物理与工程,2021,31(03):13-15+21.

[5] Rodrigues I C, Bothner D, Steele G A. Cooling photon-pressure circuits into the quantum regime[J]. Science advances, 2021, 7(42): eabg6653.

[6] nature portfolio, subjects, optomechanics

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

欢迎课题组投稿——新闻稿

转载/合作/课题组投稿，微信：447882024

带您每天读1篇文献！加入>Light读书会