レーザーを用いて振動を制御する新技術(Using lasers to control vibrations)

2025-08-11 イェール大学

イェール大学のピーター・ラキッチ教授(応用物理学)が率いる研究チームは、レーザーを使って音の量子的振動(フォノン)を「量子基底状態」に冷却できる技術を開発しました。彼らが用いたのは、わずか10マイクログラム(砂粒より小さい)ながら、1京(10^17)個の原子が量子力学的に一体となって振動する結晶性石英製のマイクロ共振器です。これまでの同様の手法はより小さな対象(体積で約百万分の一)に限られていましたが、この大きさでの制御が可能になったことで、量子的なコヒーレンス時間(量子情報の維持時間)が大幅に延長され、量子コンピューティングなどへの応用が期待されます。成果は『Nature Physics』に発表されました。

<関連情報>

量子領域における長寿命のバルク音響フォノンの光機械的制御 Optomechanical control of long-lived bulk acoustic phonons in the quantum regime

Hilel Hagai Diamandi,Yizhi Luo,David Mason,Tevfik Bulent Kanmaz,Sayan Ghosh,Margaret Pavlovich,Taekwan Yoon,Ryan Behunin,Shruti Puri,Jack G. E. Harris & Peter T. Rakich
Nature Physics  Published:11 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-025-02989-4

レーザーを用いて振動を制御する新技術(Using lasers to control vibrations)

Abstract

High-fidelity quantum optomechanical control of a mechanical oscillator requires the ability to perform efficient, low-noise operations on long-lived phononic excitations. Microfabricated high-overtone bulk acoustic wave resonators (μHBARs) support high-frequency mechanical modes above 10 GHz with coherence times exceeding one millisecond. Here we demonstrate a μHBAR-based cavity optomechanical system that permits quantum optomechanical control of individual high-coherence phonon modes. We perform laser cooling of the phonon modes from an occupation of approximately 22 phonons to fewer than 0.4, corresponding to laser-based ground-state cooling of a mechanical object with a mass of 7.5 μg. During the cooling process we do not observe any absorption-induced heating, demonstrating the resilience of the HBAR optomechanical systems against parasitic heating. Our work demonstrates that μHBARs are promising as the basis for quantum optomechanical systems with robustness to decoherence that is necessary for efficient, low-noise photon–phonon conversion.

1700応用理学一般
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