Новое устройство для измерения и контроля наночастиц

Исследователи разработали новое устройство, способное измерять и контролировать наночастицы, попавшие в лазерный луч с беспрецедентной чувствительностью. Новая технология могла бы помочь изучить движение макроскопической частицы с субатомным разрешением — масштаб, управляемый правилами квантовой механики, а не классической физики.

Исследователи из Венского университета в Австрии и технологического университета Делфта в Нидерландах сообщают о своем новом устройстве в издании Optica. Хотя этот подход применялся к захваченным атомам, команда исследователей первой использовала его для точного измерения движения оптически захваченной наночастицы, состоящей из миллиардов атомов.

«В долгосрочной перспективе такой тип устройства может помочь нам понять наноразмерные материалы и их взаимодействие с окружающей средой на фундаментальном уровне», — сказал руководитель исследовательской группы Маркус Аспельмейер из Венского университета. «Это может привести к новым способам соединения материалов с использованием их наноразмерных свойств.

«Мы работаем над улучшением устройства, чтобы увеличить нашу текущую чувствительность на четыре порядка», — продолжил Аспельмейер. «Это позволит нам использовать взаимодействие полости с частицей для зондирования или даже управления квантовым состоянием частицы, что является нашей конечной целью.»

Крошечные измерения

В новом методе используется световодное наноразмерное устройство, называемое полостью фотонного кристалла, для контроля положения наночастиц, парящих в традиционной оптической ловушке. Оптическое улавливание использует сфокусированный лазерный луч для воздействия на объект, удерживая его на месте. Техника была отмечена присуждением Нобелевской премии по физике в 2018 году Артуру Ашкину.

«Мы знаем, что законы квантовой физики применяются в масштабе атомов, но мы не знаем, насколько большим может быть объект, и все еще демонстрировать явления квантовой физики», — сказал Аспельмейер. «Захватывая наночастицу и связывая ее с полостью фотонных кристаллов, мы можем изолировать объект, который больше атомов или молекул, и изучать его квантовое поведение.»

Новое устройство обеспечивает высокий уровень чувствительности, используя длинную полость фотонного кристалла, которая уже длины волны света. Это означает, что когда свет входит и проходит вниз по наномасштабной полости, часть его просачивается наружу и образует так называемое эванесцентное поле. Это поле изменяется, когда объект помещается близко к фотонному кристаллу, что, в свою очередь, меняет то, как свет распространяется через фотонный кристалл измеримым образом.

«Изучив, как свет в фотонном кристалле изменяется в ответ на наночастицу, мы можем определить положение наночастицы во времени с очень высоким разрешением» — говорят исследователи.

Собирая каждый фотон

Новое устройство обнаруживает почти каждый фотон, который взаимодействует с захваченной наночастицей. Это не только помогает достичь чрезвычайно высокой чувствительности, но и означает, что новый подход использует гораздо меньшую оптическую силу по сравнению с другими методами, в которых теряется большинство фотонов.

В условиях вакуума исследователи продемонстрировали, что для каждого обнаруженного фотона чувствительность на два порядка выше, чем у традиционных методов измерения смещения наночастиц в оптической ловушке. Они также сообщают, что сила взаимодействия между частицей и полостью была на три порядка выше, чем сообщалось ранее. Более сильное взаимодействие означает, что фотонная полость может обнаружить больше информации о движении частицы.

L. Magrini, R. A. Norte, R. Riedinger, I. Marinkovic, D. Grass, U. Delic, S. Gröblacher, S. Hong, M. Aspelmeyer. «Near-field coupling of a levitated nanoparticle to a photonic crystal cavity,» Optica, 5, 12, 1597-1602 (2018). DOI: 10.1364/OPTICA.5.001597