Ny enhed kan hjælpe med at besvare grundlæggende spørgsmål om kvantefysik

Forskere har udviklet en ny enhed, der kan måle og kontrollere en nanopartikel fanget i en laserstråle med en hidtil uset følsomhed. Den nye teknologi kan hjælpe forskere med at studere en makroskopisk partikels bevægelse med subatomær opløsning, en skala styret af kvantemekanikkens regler frem for klassisk fysik.

Forskerne fra University of Vienna i Østrig og Delft University of Technology i Holland rapporterer deres nye enhed i Optica , The Optical Society's journal for high impact research. Selvom metoden er blevet brugt med fangede atomer, holdet er det første til at bruge det til præcist at måle bevægelsen af ​​en optisk fanget nanopartikel lavet af milliarder af atomer.

"På lang sigt, denne type enhed kan hjælpe os med at forstå nanoskala materialer og deres interaktioner med miljøet på et grundlæggende niveau, "sagde forskningsteamleder Markus Aspelmeyer fra Wien Universitet." Dette kan føre til nye måder at skræddersy materialer ved at udnytte deres nanoskala funktioner.

"Vi arbejder på at forbedre enheden for at øge vores nuværende følsomhed med fire størrelsesordener, "Aspelmeyer fortsatte." Dette ville give os mulighed for at bruge interaktionen mellem hulrummet og partiklen til at undersøge eller endda styre partikelens kvantetilstand, hvilket er vores endelige mål. "

Lav små målinger

Den nye metode anvender en lysstyrende nanoskalaenhed kaldet et fotonisk krystalhulrum til at overvåge positionen af ​​en nanopartikel, der svæver i en traditionel optisk fælde. Optisk indfangning bruger en fokuseret laserstråle til at udøve en kraft på et objekt for at holde det på plads. Teknikken blev anerkendt ved tildelingen af ​​Nobelprisen i fysik 2018 til pioner, Arthur Ashkin.

"Vi ved, at kvantefysikkens love gælder på atomskalaen og molekylernes skala, men vi ved ikke, hvor stort et objekt kan være og udviser stadig kvantefysiske fænomener, "sagde Aspelmeyer." Ved at fange en nanopartikel og koble den til et fotonisk krystalhulrum, vi kan isolere et objekt, der er større end atomer eller molekyler og studere dets kvanteadfærd. "

Den nye enhed opnår et højt følsomhedsniveau ved at bruge et langt fotonisk krystalhulrum, der er smallere end lysets bølgelængde. Det betyder, at når lys kommer ind og bevæger sig ned ad nanoskalahulrummet, noget af det lækker ud og danner det, der kaldes et flygtigt felt. Det flygtige felt ændres, når et objekt placeres tæt på den fotoniske krystal, hvilket igen ændrer hvordan lyset formerer sig gennem den fotoniske krystal på en målelig måde.

"Ved at undersøge, hvordan lys i den fotoniske krystal ændrer sig som reaktion på nanopartiklen, vi kan udlede nanopartiklens position over tid med meget høj opløsning, "sagde Lorenzo Magrini, første forfatter til papiret.

Samler hver foton

Den nye enhed registrerer næsten alle foton, der interagerer med den fangede nanopartikel. Dette hjælper det ikke kun med at opnå ekstremt høj følsomhed, men betyder også, at den nye tilgang bruger meget mindre optisk strøm sammenlignet med andre metoder, hvor de fleste fotoner går tabt.

Under vakuumforhold, forskerne demonstrerede, for hver detekteret foton, en følsomhed to størrelsesordener højere end konventionelle metoder til måling af nanopartikelforskydning i en optisk fælde. De rapporterer også, at styrken af ​​interaktionen mellem partikel- og evanescent -feltet i hulrummet var tre størrelsesordener højere end det, der tidligere er blevet rapporteret. Stærkere interaktion betyder, at det fotoniske hulrum kan registrere flere oplysninger om partikelens bevægelse.

Ligesom flere andre forskningsgrupper rundt om i verden, forskerne arbejder på at opnå kvantemålinger. De forbedrer nu deres opsætning og arbejder på at øge enhedens følsomhed væsentligt. Dette ville gøre det muligt at foretage målinger under stærkere vakuumforhold, der øger en partikels isolation fra miljøet. Udover at studere kvantemekanik, den nye enhed kunne bruges til præcist at måle acceleration og andre kræfter, der kan opstå i mikroskopiske længdeskalaer.