Вакуумная камера с экспериментальной установкой для левитации частицы внутри полости. Полость состоит из двух зеркал с покрытием, обеспечивающим превосходное отражение инфракрасного света. Цилиндрическая часть в центре держит линзу на конце, чтобы сфокусировать инфракрасный лазер в точку, в которой захвачена частица. 
Предоставлено: Йоханнес Пиотровски

Стеклянные наночастицы, захваченные лазерами в экстремальном вакууме, считаются многообещающей платформой для исследования пределов квантового мира. С появлением квантовой теории вопрос «При каком размере объект начинает описываться законами квантовой физики, а не правилами классической физики?» остался без ответа.

Лукас Новотны (Цюрих), Маркус Аспельмейер (Вена), Ориоль Ромеро-Изарт (Инсбрук) и Ромен Куидант (Цюрих) пытаются ответить именно на этот вопрос в рамках проекта ERC-Synergy Q-Xtreme. Решающим шагом на пути к этой цели является максимальное уменьшение энергии, запасаемой в движении наночастицы, т. е. охлаждение частицы до так называемого квантового основного состояния.

Контроль над всеми измерениями движения

Команда Q-Xtreme уже давно работает над охлаждением наночастиц в основном состоянии. Несколько экспериментов в Цюрихе и Вене, подкрепленные теоретическими расчетами доктора Гонсалес-Баллестеро и профессора Ромеро-Исарта из Университета Инсбрука, привели к первым демонстрациям такого охлаждения наночастицы в основном состоянии либо за счет увлажнения частицы движение с использованием электронного управления (активная обратная связь) или путем помещения частицы между двумя зеркалами (охлаждение на основе резонатора). До сих пор в экспериментах основное состояние достигалось только по одному из трех направлений движения частиц, а движение по двум другим направлениям оставалось «горячим».

«Достижение охлаждения в основном состоянии более чем в одном направлении является ключом к изучению новой квантовой физики», — говорит Гонсалес-Баллестеро из Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук и факультета теоретической физики Университета Инсбрука. «Но до сих пор это достижение оставалось недостижимым, поскольку было сложно заставить зеркала, между которыми расположена частица, эффективно взаимодействовать с движением в некоторых из трех направлений». Так называемый «эффект темного режима» препятствовал охлаждению до полного основного состояния.

С разными частотами к цели

Теперь исследования в Лаборатории фотоники ETH Zurich впервые преуспели в охлаждении наночастицы в основном состоянии в двух направлениях движения. Стеклянная сфера, примерно в тысячу раз меньше песчинки, полностью изолирована от окружающей среды в высоком вакууме и удерживается сильно сфокусированным лазерным лучом, одновременно охлаждаясь почти до абсолютного нуля.

Основываясь на теоретических предсказаниях команды из Инсбрука, швейцарские физики смогли обойти проблему темного состояния. «Для этого мы разработали частоты, при которых частицы колеблются в двух направлениях по-разному, и тщательно отрегулировали поляризацию лазерного излучения», — говорит Лукас Новотны из ETH Zurich.