Наночастицы рекордно сильно охладили рассеянием света

Наночастицы рекордно сильно охладили рассеянием света

Новости науки и техники Комментарии к записи Наночастицы рекордно сильно охладили рассеянием света отключены

Исследователям удалось добиться охлаждения наночастиц до температур ниже одного кельвина при помощи рассеяния света. Эти результаты не только существенно лучше достигнутых ранее при помощи этого метода, но и также показывают теоретическую возможность охлаждения наночастиц до квантового режима, когда основным компонентом движения окажутся квантовые колебания. Двеработы на эту тему опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Манипулирование крошечными объектами при помощи света — одно из активно развивающихся направлений современных исследований. Одной из ключевых технологий в этой области являются оптические пинцеты, за изобретение которых Артур Эшкин получил Нобелевскую премию по физике. Данный подход используется в контексте фундаментальной физики, например, для исследований по неравновесной термодинамике, измерении сверхмалых сил или поиска элементарных частиц с крохотным электрическим зарядом. Однако также существуют разработанные на его основе прикладные методики, такие как сортировка клеток для биологических нужд или удержание и ориентация живых объектов в фокальной плоскости микроскопа.

Отдельной темой исследований является охлаждение удерживаемых лазерным пинцетом наночастиц. Физики пытаются как можно сильнее уменьшить амплитуды колебаний

захваченных тел, желая, в конечном счете, достичь основного квантово-механического состояния частицы, когда доминирующий вклад в движение будут вносить квантовые колебания, существующие даже при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре. В таком случае станут возможны опыты по макроскопическим проявлениям квантовых эффектов, а также изучение коллапса волновой функции, квантовой природы гравитации и многое другое. Пока этого никому сделать не удалось, так как для этого требуется охладить тело до температуры порядка микрокельвина.

Существует два основных метода отбора энергии у левитирующих диэлектрических частиц. Первый основан на постоянном слежении за частицей при помощи фотодетекторов и приложении сил, замедляющих ее движение. Таким образом удалось достичь температур около милликельвина, но дальнейшее продвижение затрудняется недостаточно эффективными системами измерения движения. Второй способ предполагает удержание частицы в оптическом резонаторе, причем движение тела будет сказываться на излучении, что можно зафиксировать с высокой точностью.

Две независимые группы исследователей предложили схожие схемы улучшения охлаждения наночастиц в оптических резонаторах — одна из Венского университета под руководством Маркуса Аспельмейера (Markus Aspelmeyer), а другая из Швейцарской высшей технической школы Цюриха под руководством Рене Реймана (René Reimann). Основным отличием от большинства предыдущих работ является удержание наночастиц в трехмерных резонаторах, способных отражать излучение во всех трех измерениях, в то время как раньше в основном использовались одномерные. В обеих работах используются частицы диоксида кремния размером около 140 нанометров, которые одновременно находятся в условиях высокого вакуума в оптическом резонаторе и удерживаются лазерным пинцетом.

В обычной ситуации при рассеянии фотонов на наночастице ей передается импульс, из-за чего происходит нагревание. Однако настройка частоты излучения в резонаторе позволяет управлять рассеянием. В рамках новых работ частота резонатора превышала частоту лазерного пинцета примерно на 400 килогерц. Благодаря этому рассеяние лазерного излучения преимущественно порождало фотоны с резонансной частотой, то есть чуть выше, чем она была до взаимодействия с частицей. Необходимую энергию они получали из механических вибраций наночастицы, которая в результате охлаждалась.

Ученые следили за движением наночастиц, регистрируя небольшие изменения в направлении распространения удерживающего лазера. Наблюдения показали замедление движения по всем трем измерениями, что доказывает эффективность предложенного метода. Группе из Цюриха удалось достичь температур в несколько милликельвинов при давлении 10-5 миллибар. Исследователи из Вены добились охлаждения до одного кельвина при давлении 10-2 миллибар. Таким образом, несмотря на рекордные для данного способа охлаждения результаты, частицы все еще находились в классическом режиме колебаний. Авторы отмечают, что на данный момент метод ограничен нагревом от окружающих молекул воздуха и колебаниями положения лазерного пинцета. Улучшения этих параметров позволят приблизиться к желаемому результату. Подробно о принципе работы лазерных инструментов мы писали в материале «Скальпель и пинцет», в котором объясняли, за что была присуждена Нобелевская премия по физике 2018 года.

Тимур Кешелава

Источник: https://nplus1.ru/news/2019/03/28/scattering-light-cooling

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top