撰稿 | Kiron（中科院半導(dǎo)體所，博士生）

熱是一個既古老又新穎的話題。一百多年以來，從熱力學(xué)三定律建立到利用激光來降低原子乃至固體溫度，科學(xué)家們對熱本質(zhì)的理解不斷深入。從宇宙學(xué)研究到電路系統(tǒng)，熱噪聲（名詞解釋>）是必須要考慮的因素。

通常情況下，熱噪聲并不會對人們?nèi)粘Ｉ钤斐扇魏斡绊憽?u>然而，如果我們想要探測較弱的信號，比如被認(rèn)為占宇宙質(zhì)量85%的暗物質(zhì)（名詞解釋>），熱噪聲就成為必須要考慮的因素。

宏觀上，如果說一個物體冷或熱，則表現(xiàn)為溫度的高或者低。統(tǒng)計熱力學(xué)告訴我們物體的宏觀特征取決于組成系統(tǒng)微觀粒子的性質(zhì)。在固體中由于周期性結(jié)構(gòu)，原子在其平衡位置振動會在材料中產(chǎn)生格波，人們把格波抽象為一種準(zhǔn)粒子——聲子。

而固體就是一種宏觀系統(tǒng)，其內(nèi)部電子，原子，聲子等行為決定著金屬，半導(dǎo)體材料等凝聚態(tài)體系的物理性質(zhì)。聲子的描述通?？梢杂?span style="color:#d92142;">簡諧振子（名詞解釋>）來描述，最簡單的簡諧振子如下圖所示。

圖1：簡諧振子

彈簧兩端連接兩個小球，它們分別在平衡位置附近做往復(fù)運(yùn)動。如果我們把它想象在三維空間中，原子方向是可以任意取的，那么我們就說存在多種聲學(xué)模式。同樣在單位周期內(nèi)，原子往復(fù)運(yùn)動的振幅也可以是任意的。而溫度決定這種振動在單位周期內(nèi)的振幅大小。因此，我們可以認(rèn)為單位時間的振幅越大，簡諧振子的溫度越高，我們稱這種由于溫度所導(dǎo)致的振動叫熱振動。

在我們生活的空間傳播著不同波長的電磁波，比如無線電波，紅外線，可見光，紫外線。無線電波（名詞解釋>）的頻率較低（300GHz以下），是我們通信廣播常用的波段。

用來發(fā)射無線電波的天線通常用金屬組成，我們都知道任何物質(zhì)都是由原子（分子）組成。因此，金屬原子的熱振動會在系統(tǒng)中引入熱噪聲，這些熱噪聲反映了天線的溫度。

我們在收聽電臺廣播中，這種熱噪聲是一直存在的。幸運(yùn)地是無線電波的能量遠(yuǎn)大于熱噪聲的能量，所以我們感受不到它的存在。但如果我們想要探測更低能量的信號比如兆赫茲頻率的信號時，能否冷卻天線避免熱噪聲的干擾就成為關(guān)鍵問題。

我們很容易想象冷卻原子，似乎很難想象冷卻無線電波。

圖2：將無線電波冷卻到量子基態(tài)

最近荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究團(tuán)隊利用兩個通過光壓相互作用耦合在一起的超導(dǎo)LC 電路實現(xiàn)了熱射頻電路的邊帶冷卻,極大地減少了熱噪聲的影響，將射頻電路冷卻到了量子基態(tài)。

該成果以“Cooling photon-pressure circuits into the quantum regime”為題在Science Advances發(fā)表。

波的冷卻

一般情況下，如果想降低物體的溫度，只要將其放置在非常冷環(huán)境中就可以了，通過熱交換降低物體溫度。比如，近幾年出現(xiàn)了可以在液氮溫區(qū)（77 K）工作的高溫超導(dǎo)體，在醫(yī)療中使用的核磁共振成像儀中的超導(dǎo)體就需要在液氦溫區(qū)（4K）才能工作，如果要實現(xiàn)更低的溫度就要用到稀釋制冷機(jī)（其利用He?/He?的相變吸熱），它們可以將溫度降低到mK量級，這也是實驗室中通常能提供的最低的低溫環(huán)境。

得益于實驗測試手段及微加工工藝的飛速進(jìn)步，光學(xué)、紅外線和千兆赫頻率望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)使用量子技術(shù)來冷卻電磁輻射，但這些技術(shù)無法處理數(shù)百兆赫茲的頻率，恰好是無線電波的頻率。

目前的低溫技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對低溫的極致追求。

上面提到的簡諧振動會在材料中引入振動能級。如果想實現(xiàn)更低的溫度，那么就要求冷卻振動到量子基態(tài)（名詞解釋>）。而光力可以實現(xiàn)機(jī)械振子的邊帶冷卻。

名詞拓展

光力（Optomechanics）是用激光來控制機(jī)械振子的運(yùn)動，而機(jī)械振子通常是微米級或納米級諧振器件。

除了探測諧振器件的運(yùn)動，激光還可以從系統(tǒng)中去除能量使諧振器件達(dá)到一個振動能量或者一個聲子的量子極限。

邊帶冷卻

圖3左圖所示，是通常情況下的光子壓力耦合系統(tǒng)，左邊是光學(xué)微腔，右邊是宏觀機(jī)械振子，其中光學(xué)微腔和機(jī)械振子都存在固有頻率。

當(dāng)光學(xué)微腔腔鏡均勻且損耗較小時，光子會在腔中發(fā)生多次反射。腔中光子反射會引起機(jī)械振子振動，機(jī)械振子的振動反過來也會引起腔體長度發(fā)生改變。二者之間存在強(qiáng)耦合和反饋機(jī)制，因此通過光子壓力耦合系統(tǒng)可以單獨(dú)調(diào)諧光學(xué)微腔和機(jī)械振子。通過合理選擇特定的入射光子頻率，可以使機(jī)械振子調(diào)到紅失諧和藍(lán)失諧狀態(tài)，實現(xiàn)機(jī)械振子的冷卻和加熱。

圖3：光力系統(tǒng)-光學(xué)領(lǐng)域、微波領(lǐng)域

圖3右圖是LC振蕩電路（名詞解釋>）的示意圖，LC電路由一個電感（L）和一個電容（C）連在一起的電路。如果我們將圖3左右兩幅圖的系統(tǒng)拉格朗日量（名詞解釋>）寫出，我們會發(fā)現(xiàn)兩者描述的物理過程是一致的，因此我們可以將簡諧振子量子化推廣到LC振蕩電路中。LC振蕩電路由電感和電容組成，兩個平行板組成電容。本質(zhì)上LC振動電路是光子壓力耦合系統(tǒng)在微波領(lǐng)域的體現(xiàn)。

研究人員通過設(shè)計在熱射頻電路和高頻超導(dǎo)量子干涉腔之間建立了光子壓力耦合系統(tǒng)。電路中諧振頻率可以被另一個電路調(diào)諧如圖4所示。通過這種光子壓力耦合，熱射頻電路的熱量可以通過高頻電路不斷帶走，他們觀察到雜化簡正模式的剩余熱漲落并證明了射頻模的基態(tài)冷卻(邊帶冷卻)。同時，在實驗中他們提高一個數(shù)量級的單光子耦合強(qiáng)度，遠(yuǎn)強(qiáng)于目前報道的最好結(jié)果。

圖4：可調(diào)諧光壓相互作用的兩模式超導(dǎo)LC電路示意圖，電路圖的左邊是射頻電路，右邊是高頻電路部分

圖4中射頻模式電路由大平板電容器CRF和短電感線L?組成，其中電容的中間絕緣層由非晶硅構(gòu)成。超導(dǎo)量子干涉器件（名詞解釋>）由兩個收縮性約瑟夫森結(jié)（名詞解釋>）組成，它將射頻電路和高頻電路連接起來。電路耦合效果通過共面波導(dǎo)線來讀取信號。通過將泵浦頻率調(diào)諧到高頻模式的紅失諧邊帶實現(xiàn)冷卻。

作者設(shè)計的這種光子壓力耦合技術(shù)，預(yù)計會在檢測超弱磁共振 (MRI) 信號，以至量子計算和量子傳感方面有廣闊的應(yīng)用前景。在量子傳感應(yīng)用領(lǐng)域，該技術(shù)可以幫助尋找暗物質(zhì)，可以解釋重力和宇宙學(xué)中的懸而未決的問題。

論文信息：

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

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

參考文獻(xiàn)：

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[6] nature portfolio, subjects, optomechanics

監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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