Квантово-оптическое охлаждение наночастиц

Когда частица полностью изолирована от своего окружения, законы квантовой физики начинают играть решающую роль. Одним из важных требований для наблюдения квантовых эффектов является удаление всей тепловой энергии из движения частицы, то есть охлаждение ее как можно ближе к температуре абсолютного нуля.

Исследователи из Венского университета, Австрийской академии наук и Массачусетского технологического института (MIT) стали теперь на один шаг ближе к достижению этой цели, демонстрируя новый метод охлаждения левитированных наночастиц. Теперь они публикуют свои результаты в журнале Physical Review Letters.

Плотно сфокусированные лазерные лучи могут действовать как оптические «пинцеты», чтобы ловить и манипулировать крошечными объектами, от стеклянных частиц до живых клеток. Разработка этого метода принесла Артуру Ашкину прошлогоднюю Нобелевскую премию по физике.

Хотя большинство экспериментов до сих пор проводились в воздухе или жидкости, растет интерес к использованию оптических пинцетов для улавливания объектов в сверхвысоком вакууме: такие изолированные частицы не только демонстрируют беспрецедентную чувствительность, но и могут быть использованы для изучения фундаментальных процессов наноскопических тепловых двигателей или квантовых явлений с участием больших масс.

Тем не менее, лазерный шум и большая требуемая интенсивность лазера существенно ограничивают эти методы. «Наша новая схема охлаждения напрямую заимствована у сообщества атомщиков, где существуют аналогичные проблемы для квантового контроля», — говорит Урош Делик, ведущий автор исследования.

Идея восходит к ранним работам физика из Инсбрука Гельмута Ритча и американских физиков Владана Вулетича и Стива Чу, которые поняли, что достаточно использовать свет, рассеянный непосредственно от самого оптического пинцета, если частица хранится внутри изначально пустой оптической полости.

Наночастица в оптическом пинцете рассеивает крошечную часть света пинцета почти во всех направлениях. Если частица расположена внутри оптической полости, часть рассеянного света может храниться между ее зеркалами. В результате фотоны преимущественно рассеиваются в оптической полости.

Однако это возможно только для света определенных цветов или, говоря иначе, определенных энергий фотонов. Если мы используем пинцет цвета, который соответствует несколько меньшей энергии фотона, чем требуется, наночастицы «пожертвуют» частью своей кинетической энергии, чтобы позволить рассеянию фотонов в оптической полости.

Эта потеря кинетической энергии эффективно охлаждает его движение. Этот метод был продемонстрирован для атомов ранее Владаном Вулетичем, соавтором этой работы. Однако это впервые, когда он был применен к наночастицам и использовался для охлаждения во всех трех направлениях движения.

«Наш метод охлаждения намного мощнее, чем все ранее продемонстрированные схемы. Без ограничений, налагаемых лазерным шумом и мощностью лазера, квантовое поведение левитированных наночастиц должно быть буквально за углом», — говорит Урош Делик.

Uroš Delić et al. Cavity Cooling of a Levitated Nanosphere by Coherent Scattering, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.123602