Køler med lys

ETH-forskere har afkølet en nanopartikel til en rekordlav temperatur, takket være et sofistikeret eksperimentelt set-up, der bruger spredt laserlys til afkøling. Indtil nu, ingen har nogensinde afkølet en nanopartikel til så lave temperaturer i et fotonbur. Dominik Windey og René Reimann – doktorand og postdoc i gruppen ledet af Lukas Novotny, Professor i fotonik - er lykkedes med at køle en 140 nanometer glasperle ned til et par tusindedele af en grad over det absolutte nulpunkt.

Forskerne har for nylig offentliggjort detaljer om deres arbejde i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Deres gennembrud kom i form af et sofistikeret eksperimentelt set-up, der involverer en optisk pincet, hvorved en nanopartikel kan fås til at svæve ved hjælp af en laserstråle. Gruppen har allerede brugt den samme optiske pincet i tidligere arbejde, hvor de fik en nanopartikel til at rotere rundt om sin egen akse med ekstrem høj hastighed.

En fin streg

Forskerne har nu suppleret den optiske pincet med et fotonbur arrangeret vinkelret på den. Dette bur består af to stærkt reflekterende spejle, hvis position forskerne kan tilpasse sig inden for et par milliardtedele af en millimeter.

Denne præcise justering er afgørende, da partiklen spreder en del af laserlyset, og forskerne kan bruge afstanden mellem spejlene til at kontrollere, hvilken type lys der spredes. "Vi kan justere spejlene til at sprede mere lys med en lidt højere frekvens end det primære laserlys, " forklarer Windey. "Eftersom lys med højere frekvens også er højere i energi, fotonerne absorberer energi fra nanopartiklerne under spredning." Med andre ord, hvis spejlet er indstillet korrekt, glasperlen mister energi kontinuerligt, og dens svingningsamplitude bliver mindre og mindre:den afkøles.

"Nøgletræk ved vores eksperimentelle opsætning er, at partiklens svingning ikke kun bliver mindre i én retning, men i alle tre dimensioner, " siger Windey. "Dette er ikke muligt med andre eksperimentelle opstillinger fundet i litteraturen vedrørende nanopartikler i fotonbure." Det faktum, at afkøling finder sted i tre dimensioner, blev bekræftet af teoretiske beregninger udført af kolleger ved universitetet i Innsbruck, som ETH-forskerne udgav deres arbejde med.

Nærmer sig en magisk grænse

Med deres seneste eksperiment, forskerne nærmer sig en magisk grænse:den temperatur, hvor nanopartikler passerer ind i det, der er kendt som kvantegrundtilstanden. Hvis dette blev nået, det ville gøre det muligt at udføre kvanteeksperimenter med relativt store objekter for første gang; for eksempel, det ville være muligt at undersøge, hvordan en glasperle opfører sig, hvis to forskellige kvantetilstande er overlejret.

Imidlertid, det vil kræve meget arbejde at nå dertil. "Vores temperaturer er stadig for høje med en faktor på mere end 100, " siger Windey. "Vi er nødt til at bremse perlen meget mere, hvis vi ønsker at nå kvantegrundtilstanden." Dette skulle nu være muligt ved hjælp af et endnu mere sofistikeret system, hvor forskerne anvender et andet fotonbur - i det væsentlige implementerer et to -trins kølesystem.

Uventet kilde til forstyrrelse

Selvfølgelig, det vil igen kræve en betydelig større indsats. "Systemet er ekstremt følsomt, " forklarer Windey. Selv den mindste forstyrrelse flytter afstanden mellem spejlene. Som et resultat, partiklen afkøles ikke længere, men opvarmes snarere, og kan ikke længere holdes i den optiske pincet – tilbage til udgangspunktet, med andre ord. "Lige fra begyndelsen, vi skulle kæmpe med uventede vibrationer, " siger Windey. "Så, vi opdagede, at vores laboratoriebygning på Hönggerberg på grund af trafik bevæger sig 4 mikrometer frem og tilbage i løbet af dagen. Det betød, at vi skulle foretage vores målinger om natten."

Selvom måleudstyrets store følsomhed stadig gør livet svært for forskerne, der kunne være en praktisk anvendelse af netop denne faktor. "Systemet kunne bruges til at bygge et ekstremt følsomt accelerometer, " siger Windey. "Og når vi først har partiklen i kvantetilstand, vi vil være i stand til at bestemme afbøjninger endnu mere præcist."