Forskare har utvecklat en ny enhet som kan mäta och kontrollera en nanopartikel som fångas i en laserstråle med oöverträffad känslighet. Den nya tekniken kan hjälpa forskare att studera en makroskopisk partikels rörelse med subatomär upplösning, en skala som styrs av kvantmekanikens regler snarare än klassisk fysik.

Forskarna från universitetet i Wien i Österrike och Delfts tekniska universitet i Nederländerna rapporterar sin nya enhet i Optica , The Optical Society's journal for high impact research. Även om metoden har använts med fångade atomer, teamet är det första som använder det för att exakt mäta rörelsen hos en optiskt fången nanopartikel gjord av miljarder atomer.

"I längden, denna typ av anordning kan hjälpa oss att förstå material i nanoskala och deras interaktioner med miljön på en grundläggande nivå, " sade forskargruppsledare Markus Aspelmeyer från universitetet i Wien. "Detta kan leda till nya sätt att skräddarsy material genom att utnyttja deras nanoskala egenskaper.

"Vi arbetar med att förbättra enheten för att öka vår nuvarande känslighet med fyra storleksordningar, " Aspelmeyer fortsatte. "Detta skulle göra det möjligt för oss att använda interaktionen mellan kaviteten och partikeln för att undersöka eller till och med kontrollera partikelns kvanttillstånd, vilket är vårt yttersta mål."

Gör små mått

Den nya metoden använder en ljusstyrande nanoskalaenhet som kallas en fotonisk kristallhålighet för att övervaka positionen för en nanopartikel som svävar i en traditionell optisk fälla. Optisk infångning använder en fokuserad laserstråle för att utöva en kraft på ett föremål för att hålla det på plats. Tekniken uppmärksammades av tilldelningen av 2018 års Nobelpris i fysik till pionjär, Arthur Ashkin.

"Vi vet att kvantfysikens lagar gäller på skalan av atomer och skala av molekyler, men vi vet inte hur stort ett objekt kan vara och fortfarande uppvisa kvantfysiska fenomen, " sa Aspelmeyer. "Genom att fånga en nanopartikel och koppla den till en fotonisk kristallhålighet, vi kan isolera ett objekt som är större än atomer eller molekyler och studera dess kvantbeteenden."

Den nya enheten uppnår en hög nivå av känslighet genom att använda en lång fotonisk kristallhålighet som är smalare än ljusets våglängd. Detta betyder att när ljus kommer in och färdas ner i nanoskalig hålighet, en del av det läcker ut och bildar vad som kallas ett flyktigt fält. Det försvinnande fältet förändras när ett föremål placeras nära den fotoniska kristallen, vilket i sin tur förändrar hur ljuset fortplantar sig genom den fotoniska kristallen på ett mätbart sätt.

"Genom att undersöka hur ljuset i den fotoniska kristallen förändras som svar på nanopartikeln, vi kan härleda nanopartikelns position över tid med mycket hög upplösning, sa Lorenzo Magrini, tidningens första författare.

Samlar varje foton

Den nya enheten upptäcker nästan varje foton som interagerar med den fångade nanopartikeln. Detta hjälper den inte bara att uppnå extremt hög känslighet utan innebär också att det nya tillvägagångssättet använder mycket mindre optisk kraft jämfört med andra metoder där de flesta fotoner går förlorade.

Under vakuumförhållanden, forskarna visade, för varje detekterad foton, en känslighet två storleksordningar högre än konventionella metoder för att mäta nanopartikelförskjutning i en optisk fälla. De rapporterar också att styrkan av interaktionen mellan partikelfältet och det evanescenta fältet i kaviteten var tre storleksordningar högre än vad som tidigare har rapporterats. Starkare interaktion gör att den fotoniska kaviteten kan upptäcka mer information om partikelns rörelse.

I likhet med flera andra forskargrupper runt om i världen, forskarna arbetar för att uppnå kvantmätningar. De förbättrar nu sina inställningar och arbetar för att avsevärt öka enhetens känslighet. Detta skulle göra det möjligt att utföra mätningar under starkare vakuumförhållanden som ökar en partikels isolering från omgivningen. Förutom att studera kvantmekanik, den nya enheten skulle kunna användas för att exakt mäta acceleration och andra krafter som kan uppstå i mikroskopiska längdskalor.