“我们测到的是最接近‘标准量子极限’的力。之所以能够达到这种灵敏度,因为使用的机械振子仅由1200个原子组成。”科恩研究组成员和论文第一作者西尼·思瑞普勒说。
在思瑞普勒和他的同事使用的实验装置中,机械振子的重要成分,是一种用光学方法能够困住铷原子并将其冷却到接近绝对零度的气。
困住原子的光阱包括两个波长分别为860纳米和840纳米的驻波光场,可以分别对原子产生均等反向的轴向力。调制840纳米波长光场振幅时,质心运动会被诱导出来,其直接反应会被一束波长为780纳米的探测波测量出来。
一般来讲,当力和运动的测量灵敏度达到量子水平,必然碰到一个叫做“海森堡不确定性原理”的屏障,该原理认为,测量本身会因“量子反作用”现象扰乱振子的工作状态。这个障碍被称为“标准量子极限”。
思瑞普勒解释了实验中的关键环节,“我们将铷原子从所处环境中解耦出来并维护其冷却温度,接下来,困住原子的激光光束能够把它们与外部环境干扰隔离开来且不至于使它们变热,这足以使我们接近力灵敏度的极限”。
科学家有信心获得更“小”的力
到目前为止,标准量子极限是人类目前为止能够达到的最敏感的程度。在过去几十年间,科学家们采取了一系列对策,以尽量减少量子反作用现象的发生和影响,进而更靠近标准量子极限,但最好也不过降低了6到8个数量级。
思瑞普勒认为,如果使用更冷一些的原子团和改进的光腔探测器,借助已有的能弱化量子反作用的技术,完全可以展开进一步的探测实验,而且很可能会取得更接近标准量子极限的力灵敏度。