Разработка новых методов квантовых и прецизионных измеренийНИР

New methodes

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Разработка новых методов квантовых и прецизионных измерений
Результаты этапа: Основу этапа составили теоретические и экспериментальные поисковые исследования, направленные на разработку новых, не имеющих принципиального квантового ограничения чувствительности, методов измерений применительно к таким фундаментальным экспериментам, как обнаружение гравитационных волн и проверка применимости квантовой механики к макроскопическим телам. Содержание проделанной работы и полученные результаты: 1. Создание установки для исследования различных типов оптических потерь в кристаллическом кремнии с использованием микрорезонаторов с модами типа «шепчущей галереи». 2. Расчет и изготовление механических осцилляторов мостикового типа, предназначенных для работы при температуре нулевого коэффициента теплового расширения кремния (около 124 К) на базе стандартных кремниевых пластин (вайферов) методом анизотропного щелочного химического травления. Показано, что в них значительно подавлены термоупругие потери и соответствующие тепловые шумы. 3. Завершение экспериментального исследования динамических процессов, возникающих при взаимодействии пробной массы и электростатического актюатора с гребенчатыми электродами, которые являются потенциальным источником дополнительных шумов. Все эти исследования важны для создания низкошумящих кремниевых подвесов пробных масс гравитационно-волновых детекторов нового поколения, а также для создания высокочувствительных криогенных оптомеханических систем. 4. Экспериментальное исследование ИК поглощающих покрытий для обеспечения бесконтактного охлаждения элементов криогенных кремниевых оптомеханических систем, в частности, пробных масс гравитационно-волновых детекторов, работающих в условиях высокого вакуума и большой мощности оптической накачки. Измерение механических потерь в ИК поглощающем покрытии Acktar Ultra BlackTM показало его перспективность для такого применения. 5. Детальный анализ по поиску оптимальной формы зеркал резонатора Фабри-Перо, при которой спектр оптических мод будет эффективно прорежен. 6. Анализ метода подавления эффекта параметрической колебательной неустойчивости в гравитационно-волновых интерферометрах третьего поколения на основе современной квантовой теории измерений и теории оптических резонаторов. 7. В экспериментальной работе, выполненной в Институте Гравитационной физики (Германия, г. Ганновер) при участии Ф.Я.Халили, первая демонстрация обобщенного (дисперсионное + диссипативное) взаимодействия моды светового поля в интерферометре Майкельсона и нано-мембраны из нитрида кремния. Этот результат открывает путь к разработке новых топологий лазерных детекторов гравитационных волн, основанных на эффекте оптической жесткости. 8. Теоретическое исследование новых режимов работы лазерных интерферометрических гравитационно-волновых детекторов с несколькими оптическими накачками. В частности, показано, что с помощью двух т.н. антисимметричных накачек (с противоположными отстройками и гомодинными углами, но идентичными остальными параметрами) можно подавить квантовый шум до уровня Стандартного Квантового Предела (СКП) в широкой полосе на низких частотах. Ослабив до некоторой степени условие антисимметрии, можно слегка преодолеть СКП в широкой полосе частот. Использование нескольких таких пар накачек создает возможность гибкой настройки спектральной плотности квантового шума. 9. Теоретическое исследование квантовых пределов чувствительности линейных и нелинейных интерферометров со сжатием света на входе и анти-сжатием на выходе. Показано, для заданного фактора сжатия входного сжимателя света, разбалансировка интерферометра за счет увеличения фактора сжатия выходного (анти) сжимателя улучшают предельную чувствительность и расширяют динамический диапазон чувствительности, превышающей предел дробового шума.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Разработка новых методов квантовых и прецизионных измерений
Результаты этапа: Пробные массы гравитационно-волновых детекторов третьего поколения предполагается изготавливать из кремния и охлаждать до температур около 123 К. Для определения механических потерь в соединениях кремниевых элементов в квазимонолитных подвесах пробных масс были разработаны, изготовлены и протестированы кремниевые камертоны, в которых соединение элементов осуществлялось методом silicate bonded. Разработанные численные модели позволили определить отношение энергии, теряемой в соединительном слое, к полной энергии, запасенной в колебательной системе, и таким образом определить диссипативные параметры соединительного слоя по измеренным потерям в камертонах различных конфигураций. Значение угла потерь составило (5+/-2) Е(-3) при 123 К в килогерцовом диапазоне частот. Результаты работы приняты к публикации в журнале Physics Letters A Определены условия параметрической неустойчивости в гравитационно-волновых интерферометрах нового поколения на упругих модах пробных масс из сапфира и кремния. Аналитически с помощью метода моментов исследовано влияние дисперсии третьего порядка на свойства солитонов в микрорезонаторах шепчущей галереи. Получены аналитические выражения для скорости солитонов, частоты и амплитуды дисперсионной волны и эффекта отдачи. Численно исследована динамика платиконов в микрорезонаторах шепчущей галереи с нормальной дисперсией групповой скорости, вызванная дисперсией третьего порядка. Показано, что под ее воздействием платиконы приобретают дополнительную угловую скорость, зависящую как от дисперсии, так и от величины расстройки. Разработана теория, описывающая влияние рамановского рассеяния на генерацию оптических гребенок в микрорезонаторах и с ее помощью исследовано влияние эффекта Рамана на динамику платиконов. Разработан метод численного моделирования броуновских и термооптических шумов в сложных структурах методом конечных элементов. Предложена новая концепция конверсии интерферометра Майкельсона в квантовый измеритель скорости, основанная на использовании двух независимых поляризаций света в интерферометре и оптического циркулятора, связывающего их между собой. Предложена новая реализация схемы квантового измерителя скорости, основанная на двух независимых интерферометрических измерителях координаты пробной массы с оптимально подобранными значениями полос пропускания и оптической мощности. Продолжаются исследования обратного рассеяния в квантовом измерителе скорости.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Разработка новых методов квантовых и прецизионных измерений
Результаты этапа: Проведено исследование механических потерь в соединениях кремниевых элементов пробных масс криогенных гравитационно-волновых детекторов третьего поколения, выполненных с использованием технологии «оптического контакта». Хотя измеренные значения коэффициента потерь, примерно, в четыре раза выше, чем при использовании технологии соединения silicate bonding, оптический контакт допускает разъединение элементов без их разрушения, что важно для нахождения оптимальной конструкции подвесов. Продолжено исследование динамики солитонов и керровских оптических гребенок в микрорезонаторах. Разработана теория генерации солитонов с помощью диодного лазера, затянутого микрорезонатором. Разработан метод подавления эффекта параметрической неустойчивости при помощи малого изменения температуры зеркал гравитационно-волновых интерферометров нового поколения. Разработана новая схема квантового измерителя скорости, требующая внесения минимальных изменений в используемую сейчас топологию лазерных детекторов гравитационных волн. Схема основана на использовании двух поляризаций света в интерферометре и оптического циркулятора, связывающего их между собой [Light: Science & Applications, v.7, 11 (2018)] Предложена навая концепция преодоления стандартного квантового предела чувствительости в лазерных детекторах гравитационных волн, основанная на использовании дополнительного атомного спинового ансамбля с отрицателной эффективной массой [Phys. Rev. Lett., v. 121, 031101 (2018)]. Продолжено исследование фундаментальных квантовых пределов точности измерения, которые могут ограничивать чувствительность будущих детекторов гравитационных волн. Проведено исследование тепловых шумов светоделителя лазерной гравитационно-волновой антенны из первых принципов.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Разработка новых методов квантовых и прецизионных измерений
Результаты этапа: Для контроля положения кремниевых пробных масс – зеркал в будущих криогенных интерферометрических гравитационно-волновых детекторах предполагается использовать электростатические актюаторы. Электрическое поле актюатора является источником дополнительной диссипации, вносимой в колебания пробной массы, а, следовательно, и дополнительного теплового шума. Для изучения механизмов такой диссипации был создан прототип на основе механического резонатора дисковой формы, изготовленного из кремния, рядом с которым устанавливались электроды актюатора. В результате проведенного теоретического анализа и экспериментальных исследований была установлена связь между удельным сопротивлением кремния, определяемым примесями и рабочей температурой, и затуханием, вносимым в механический резонатор электрическим полем. Результаты проведенных исследований позволяют установить требования к конструкции и параметрам электростатических актюаторов, использующихся для контроля положения кремниевых пробных масс. Проведен дальнейший анализ метода преодоления нежелательного эффекта параметрической в лазерных гравитационно-волновых антеннах. Показано, что в оптомеханической системе с диссипативной связью возможна устойчивая оптическая жесткость. Это позволяет преодолеть стандартный квантовый предел.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Разработка новых методов квантовых и прецизионных измерений
Результаты этапа: Проведено исследование схемы квантового измерения малых смещений на основе дисперсионной или диссипативной связи. Показано, что используя квантовое вариационное измерение, можно преодолеть стандартный квантовый предел в схемах как с дисперсионной, так и диссипативной связью (Physical Review A vol.102, 023513, 2020). Проанализировано вызванное вихревыми токами трение механического движения диамагнитной частицы в неоднородном магнитном поле магнитного диполя витка с током в присутствии силы тяжести Земли. Показано, что частоты механических колебаний частицы не зависят от свойств частицы, а зависят от ускорения свободного падения и размера витка с током, подобно классическому маятнику. По этой частоте можно измерять ускорение свободного падения гравитационного поля (Physics Letterts A vol.384, 126643, 2020). Разработан общий метод проектирования несферических неидентичных зеркал в несимметричных резонаторах Фабри-Перо для подавления оптических мод высокого порядка и таким образом подавление параметрической неустойчивости. Предложенная конфигурация позволяет дополнительно подавить потери мощности в плече интерферометра, вызванные точечными поглотителями на пробных массах (Journal of Optics, 22, 115603, 2020). В результате проведенных исследований была разработана и протестирована оригинальная методика измерения вызванных электрическим полем потерь в механических резонаторах, изготовленных из монокристаллического кремния. Проведено исследование фундаментальных шумов, вызванных тепловым движением носителей заряда в оптически прозрачных полупроводниках (в частности, кремний в инфракрасном свете). Флуктуации носителей вызывают вариации показателя преломления. Показано, что для планируемых параметров этот вид шума не будет ограничивать чувствительность лазерных гравитационно-волновых детекторов третьего поколения (Physical Review D vol.102, 022006, 2020). Выполнены экспериментальные исследования оптических потерь в кристаллическом кремнии в ИК диапазоне. Использовался метод, основанный на измерении собственной добротности микрорезонаторов с модами типа «шепчущей галереи» (МШГ). При этом вклад нелинейных потерь контролировался по форме резонансных кривых и оставался пренебрежимо малым. На данном этапе было проведено сравнение микрорезонаторов, изготовленных из кремния с различным типом удельной проводимости, различной величиной удельного сопротивления, а также изготовленных с использованием различных технологий изготовления.
6 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Разработка новых методов квантовых и прецизионных измерений
Результаты этапа: Исследования были направлены на разработку электростатических актюаторов, которые предполагается использовать для контроля положения кремниевых пробных масс в гравитационно- волновых детекторах нового поколения. Разработана методика и проведены измерения потерь, вносимых электрическими полями в колебательные моды дисковых кремниевых резонаторов. Это позволило уточнить теоретические модели, описывающие процессы действия электрического поля на механические резонаторы из монокристаллического кремния с минимальным содержанием примесей. Результаты проведенных исследований позволяют оптимизировать конструкции актюаторов и определить режимы работы, обеспечивающие минимальные шумы смещения пробных масс. Экспериментально показано возбуждение мод шепчущей галереи с помощью полусферического элемента связи из кристаллического кремния в высокодобротных кремниевых резонаторах на длинах волн 2.6 мкм и 8.6 мкм. На длине волны 2.6 мкм коэффициент связи по пропусканию превышал 30% в случае критической связи, при этом лазер накачки без изолятора эффективно затягивался на моду шепчущей галереи. Ширина диапазона затягивания превышала 0.6 ГГц, что указывает на килогерцовую линию генерации. На длине волны 8.6 мкм коэффициент связи достигал 10%, однако, стоит отметить, что столь низкий коэффициент связи обусловлен низкой достижимой собственной добротностью на этой длине волны, 5х10^5, из-за проявляющегося многофононного поглощения в кремнии. Была продемонстрирована возможность стабилизации полупроводниковых лазеров среднего ИК диапазона с помощью таких резонаторов. Выполнено моделирование эффекта затягивания в системе лазер-резонатор с учётом нелинейных эффектов (Optics Letters, 46 (2021) 2509-2509). Была исследована возможность реализации квантового невозмущающего измерения (quantum non-demolition measurment, QND) числа оптических квантов с помощью резонансно усиленной керровской нелинейности. Процедура измерения состоит в том, что две моды оптического резонатора, заполненного диэлектриком с кубической нелинейностью, возбуждаются сигнальным и более мощным пробным оптическими полями. При этом за счет эффекта кросс-фазовой модуляции фаза пробной моды изменяется на величину, пропорциональную числу квантов в сигнальной моде. мы нашли точное решение уравнений Гейзенберга для операторов поля сигнальной и пробной мод. Данное аналитическое решение позволило точно рассчитать дисперсию числа квантов в сигнальной моде после оптимального гомодинного измерения с учетом неизбежных в реальном эксперименте оптических потерь. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование эффекта затягивания в системе лазер-резонатор с учётом нелинейных эффектов (Nature communications, 12(1) (2021) 1-10). Предложена схема квантового вариационного измерения с двойной накачкой, которая позволяет преодолевать Стандартный Квантовый Предел в широкой полосе частот (Phys. Rev. A 104 (2021) 023519).
7 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Разработка новых методов квантовых и прецизионных измерений
Результаты этапа: ствии электрического поля актюатора на кремниевую пробную массу гравитационно- волнового детектора, проведено измерение механических потерь в диско- вых кремниевых резонаторах с собственными частотами около 800 Гц, из- готовленных из кремния с различным удельным сопротивлением от 1 Ом см до 20кОм см. Показано что, в резонаторах из недопированного (высокоом- ного) кремния, который будет использован в детекторах следующего поко- ления, механические потери, индуцированные электрическим полем, дают заметный вклад в полные потери и шум. Проведенные измерения позволяют оценить шум пробных масс гравитационно-волновых детекторов, индуциро- ванный электрическим полем актюатора. Результаты опубликованы в Rev. Sci. Instrum. 93, 014501 (2022); doi: 10.1063/5.0076311 и Ученые записки физического факультета Московского Университета, 4, 2241202 (2022) В прошедшем году продолжались экспериментальные исследования по- терь в оптических микрорезонаторах из различных прозрачных диэлектри- ков в ближнем и среднем ИК диапазоне. Интерес к этому диапазону обу- словлен тем, что большинство частот колебательных и вращательных сте- пеней свободы молекул лежат именно в этом диапазоне. Кроме того, в сле- дующем поколении детекторов гравитационных волн возможен переход с рабочей длины волны в 1 мкм в более длинноволновую часть спектра. В частности, была разработана технология изготовления и исследованы свой- ства резонаторов из материала ZBLAN - стекла на основе фторидов тяжелых металлов, который является одним из самых перспективных материалов имеющий низкие оптические потери в среднем ИК-диапазоне. Применялся оригинальный метод изготовления, основанный на плавлении промышлен- ного доступного оптического волокна на основе ZBLAN для производства микросфер диаметром от 250 до 350 мкм. Удавалось эффективно возбуж- дать моды шепчущей галереи как на длине волны 1,55 мкм, так и на 2,64 мкм. Добротность на телекоммуникационной длине волны составила (5,4 ± 0,4) · 10^8 что определяется материальными потерями в ZBLAN. На длине волны 2,64 мкм была продемонстрирована рекордная добротность (1± 0,2) · 10^8, что сравнимо с самыми высокими значениями добротности среди всех материалов в среднем ИК. Статья Tatiana Tebeneva, Artem Shitikov, Oleg Benderov, Valery Lobanov, Igor Bilenko, and Alexander Rodin«Ultra high- Q WGM microspheres from ZBLAN for the mid-IR band» принята к печати в Optics Letters 11/02/2022; Doc. ID 475259. Проведены исследования по разработке новых схем квантовых измере- ний, преодолевающих стандартный квантовый предел: а) на простейшем (игрушечном) примере безрезонаторной оптомеханической связи проана- лизирован новый оригинальный вид квантовых широкополосных вариаци- онных измерений с двумя оптическими накачками. Результаты опублико- ваны в Physics Letters A том 424, 127849 (2022); б) Проанализированы но- вые возможности квантовых оптомеханических измерений с использовани- ем одновременно и дисперсионной, и диссипативной связи для преодоле- ния стандартного квантового предела. Результаты опубликованы в Physical Review A 105, 063506 (2022); в) Разработано и детально проанализировано широкополосное вариационное измерение с ОДНОЙ оптической накачкой, которое позволило бы полностью и в широкой полосе исключить квантовое обратное флуктуационное влияние. Результаты опубликованы в Physical Review A 106, 053711 (2022).
8 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Разработка новых методов квантовых и прецизионных измерений
Результаты этапа: Изучены особенности работы полупроводниковых лазеров в режиме затягивания, полученные ранее принципы оптимизации были проверены экспериментально. Экспериментально продемонстрирована возможность одновременного затягивания частот нескольких мод многочастотного полупроводникового лазера на моды интегрального микрорезонатора, измерен коэффициент подавления фазовых шумов в данном режиме. Предложенный ранее метод формирования оптической частотной гребёнки глубокой модуляцией тока накачки полупроводникового лазера был впервые успешно применен в видимом диапазоне. Начаты работы по исследованию свойств микрорезонаторов с модами «шепчущей галереи» из германия в среднем ИК диапазоне. С целью разработки методов ослабления влияния этих шумов на чувствительность гравитационно-волновых детекторов и других прецизионных измерительных систем выполнено теоретическое и экспериментальное исследование диссипативных процессов в дисковых механических резонаторах, изготовленных из нелегированного монокристаллического кремния, в диапазоне температур 100–295 К. Проведен оригинальный расчет числа неустойчивых комбинаций упругих и стоксовых мод гравитационно-волнового интерферометра LIGO Voyager для предотвращения нежелательного эффекта параметрической колебательной неустойчивости. Предложена оригинальная схема усиления оптомеханического взаимодействия за счет использования комбинации дисперсионной и диссипативной связи. Проанализировано ее использование для значительного усиления охлаждения механического осциллятора, для экпериментального обнаружения флуктуаций лебедевского давления света и для пондеоромоторного сжатия света.
9 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Разработка новых методов квантовых и прецизионных измерений
Результаты этапа:
10 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Разработка новых методов квантовых и прецизионных измерений
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. 17PRDKrDiHuHeNaLeVy.pdf 17PRDKrDiHuHeNaLeVy.pdf 494,1 КБ 1 июня 2018 [vyat]
2. 18PRAMaVy.pdf 18PRAMaVy.pdf 196,2 КБ 1 июня 2018 [vyat]
3. APL_23.pdf APL_23.pdf 1,5 МБ 29 ноября 2023 [mitr]