Лазерный мир

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