Разработан метод захвата и охлаждения нескольких наночастиц независимо от их электрического заряда до нескольких милликельвинов
Группа исследователей ETH во главе с профессором Лукасом Новотным из Департамента информационных технологий и электротехники разработала метод захвата и охлаждения нескольких наночастиц независимо от их электрического заряда до нескольких милликельвинов. Это открывает различные возможности для изучения квантовых явлений таких частиц или создания высокочувствительных сенсоров.
Программируемый пинцет для захвата нескольких частиц. Предоставлено: Нанотехнологии природы (2022 г.). DOI: 10.1038/s41565-022-01254-6
За последние сорок лет физики научились охлаждать все более крупные объекты до температур, близких к абсолютному нулю: атомы, молекулы, а в последнее время и наночастицы, состоящие из миллиардов атомов. В то время как атомы можно охлаждать только с помощью лазерного излучения, до сих пор наночастицы должны были иметь электрический заряд и управлять ими с помощью электрических полей для оптимального охлаждения.
Группа исследователей ETH во главе с профессором Лукасом Новотным из Департамента информационных технологий и электротехники разработала метод захвата и охлаждения нескольких наночастиц независимо от их электрического заряда до нескольких милликельвинов. Это открывает различные возможности для изучения квантовых явлений таких частиц или создания высокочувствительных сенсоров.
Охлаждение нейтральных частиц
«В нашей исследовательской группе мы усовершенствовали охлаждение одиночных электрически заряженных наночастиц за последние десять лет», — говорит Джаядев Виджаян, постдоктор из лаборатории Новотны и ведущий автор статьи, недавно опубликованной в научном журнале Nature Nanotechnology. «Благодаря новому методу, который также работает для электрически нейтральных объектов, мы впервые можем захватывать несколько частиц одновременно, что открывает совершенно новые перспективы для исследований».
В своих экспериментах исследователи захватили крошечную стеклянную сферу размером чуть менее 200 нанометров, используя сильно сфокусированный лазерный луч, также известный как оптический пинцет, внутри вакуумного аппарата. Внутри оптического пинцета сфера колеблется взад и вперед за счет энергии движения.
Чем выше температура частицы, тем выше ее энергия движения и, следовательно, амплитуда колебаний. Насколько сильно и в каком направлении колеблется сфера внутри оптического пинцета в данный момент, можно измерить с помощью фотодетектора, который улавливает рассеянный сферой лазерный свет.
Используя сфокусированные лазерные лучи (красные), исследователи ETH охлаждают две стеклянные сферы до чрезвычайно низких температур. Предоставлено: ETH Zürich / Виджаян Джаядев
Замедление встряхиванием
Затем Новотный и его сотрудники используют эту информацию, чтобы замедлить наночастицу и, следовательно, охладить ее. Это достигается за счет встряхивания оптического пинцета точно в направлении, противоположном колебанию сферы, с использованием дефлектора с электронным управлением, который слегка меняет направление лазерного луча и, следовательно, положение пинцета.
Когда сфера движется влево, пинцет быстро смещается вправо, чтобы противодействовать движению сферы; при движении вправо дефлектор смещает пинцет влево. Таким образом, его амплитуда колебаний и, следовательно, его эффективная температура постепенно уменьшаются - вплоть до нескольких тысячных градуса выше абсолютного нуля -273,15 градуса Цельсия.
Чтобы одновременно охладить две наночастицы, исследователи используют хитрость. Оптический пинцет, в который они улавливают сферы, отрегулирован так, что частоты колебаний частиц немного отличаются. Таким образом, движение двух сфер можно различить с помощью одного и того же светового детектора, а стратегии охлаждения можно применять отдельно к двум пинцетам.
Масштабирование до нескольких наночастиц
«Одновременное охлаждение можно легко масштабировать до нескольких наночастиц», — объясняет Виджаян. «Поскольку у нас есть полный контроль над положением частиц, мы можем произвольно настраивать взаимодействие между ними; таким образом, в будущем мы сможем изучать квантовые эффекты нескольких частиц, такие как запутанность».
В запутанном состоянии измерение одной частицы мгновенно влияет на квантовое состояние другой без какого-либо прямого контакта между двумя частицами. До сих пор такие состояния реализовывались в основном с фотонами или одиночными атомами. Виджаян надеется, что однажды он сможет также создавать запутанные состояния с гораздо более крупными наночастицами.
Тот факт, что наночастицы могут быть электрически нейтральными, имеет дополнительные преимущества, например, для разработки чрезвычайно чувствительных датчиков. При измерении очень слабых гравитационных сил между объектами или поиске гипотетической темной материи хочется максимально исключить другие силы — и чаще всего это электростатические силы между заряженными частицами. Метод, разработанный исследователями ETH, обещает новые открытия и в этих областях.
