Optisk kvantisk køling af nanopartikler

Når en partikel er fuldstændig isoleret fra sit miljø, lovene i kvantefysikken begynder at spille en afgørende rolle. Et vigtigt krav for at se kvanteeffekter er at fjerne al termisk energi fra partikelbevægelsen, dvs. at afkøle det så tæt som muligt på absolut nul temperatur. Forskere ved universitetet i Wien, det østrigske videnskabsakademi og Massachusetts Institute of Technology (MIT) er nu et skridt tættere på at nå dette mål ved at demonstrere en ny metode til køling af leviterede nanopartikler. De offentliggør nu deres resultater i det anerkendte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

Tæt fokuserede laserstråler kan fungere som optiske "pincetter" for at fange og manipulere små objekter, fra glaspartikler til levende celler. Udviklingen af ​​denne metode har givet Arthur Ashkin sidste års nobelpris i fysik. Mens de fleste forsøg hidtil er blevet udført i luft eller væske, der er en stigende interesse for at bruge optisk pincet til at fange objekter i ultrahøjt vakuum:sådanne isolerede partikler udviser ikke kun hidtil uset sanseydelse, men kan også bruges til at studere grundlæggende processer for nanoskopiske varmemotorer, eller kvantefænomener, der involverer store masser.

Et centralt element i disse forskningsbestræbelser er at opnå fuld kontrol over partikelbevægelsen, ideelt set i et regime, hvor kvantfysikkens love dominerer dets adfærd. Tidligere forsøg på at opnå dette, enten har moduleret selve den optiske pincet, eller nedsænket partiklen i yderligere lysfelter mellem stærkt reflekterende spejlkonfigurationer, dvs. optiske hulrum.

Imidlertid, laserstøj og store nødvendige laserintensiteter har udgjort en væsentlig grænse for disse metoder. "Vores nye køleordning er direkte lånt fra atomfysikfællesskabet, hvor der findes lignende udfordringer for kvantekontrol ", siger Uros Delic, hovedforfatter til den seneste undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve af forskere ved universitetet i Wien, det østrigske videnskabsakademi og Massachusetts Institute of Technology (MIT), som blev ledet af Markus Aspelmeyer. Ideen går tilbage til tidlige værker fra Innsbruck -fysikeren Helmut Ritsch og fra de amerikanske fysikere Vladan Vuletic og Steve Chu, der indså, at det er tilstrækkeligt at bruge det lys, der er spredt direkte fra selve den optiske pincet, hvis partiklen holdes inde i et oprindeligt tomt optisk hulrum.

En nanopartikel i en optisk pincet spreder en lille del af pincettens lys i næsten alle retninger. Hvis partiklen er placeret inde i et optisk hulrum, kan en del af det spredte lys lagres mellem dets spejle. Som resultat, fotoner er fortrinsvis spredt ind i det optiske hulrum. Imidlertid, dette er kun muligt for lys i bestemte farver, eller sagt anderledes, specifikke foton energier. Hvis vi bruger en pincet i en farve, der svarer til en lidt mindre fotonenergi end krævet, nanopartiklerne vil "ofre" noget af deres kinetiske energi for at tillade foton spredning i det optiske hulrum. Dette tab af kinetisk energi afkøler effektivt dens bevægelse. Metoden er tidligere blevet demonstreret for atomer af Vladan Vuletic, medforfatter til dette arbejde. Dette er, imidlertid, første gang det er blevet anvendt på nanopartikler og brugt til at afkøle i alle tre bevægelsesretninger.

"Vores afkølingsmetode er meget mere kraftfuld end alle de tidligere påviste ordninger. Uden de begrænsninger, der er pålagt af laserstøj og laserstrøm, bør kvanteadfærd for leviterede nanopartikler være rundt om hjørnet", siger Delic.