När en partikel är helt isolerad från sin omgivning, kvantfysikens lagar börjar spela en avgörande roll. Ett viktigt krav för att se kvanteffekter är att ta bort all termisk energi från partikelrörelsen, dvs att kyla den så nära som möjligt till absolut noll temperatur. Forskare vid universitetet i Wien, österrikiska vetenskapsakademin och Massachusetts Institute of Technology (MIT) är nu ett steg närmare att nå detta mål genom att demonstrera en ny metod för kylning av svävande nanopartiklar. De publicerar nu sina resultat i den berömda tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Tätt fokuserade laserstrålar kan fungera som optiska "pincetter" för att fånga och manipulera små föremål, från glaspartiklar till levande celler. Utvecklingen av denna metod har gett Arthur Ashkin förra årets Nobelpris i fysik. Medan de flesta experiment hittills har utförts i luft eller vätska, det finns ett ökande intresse för att använda optiska pincetter för att fånga föremål i ultrahögt vakuum:sådana isolerade partiklar uppvisar inte bara en aldrig tidigare skådad avkänningsprestanda, men kan också användas för att studera grundläggande processer för nanoskopiska värmemotorer, eller kvantfenomen som involverar stora massor.

Ett viktigt element i dessa forskningsinsatser är att få full kontroll över partikelrörelsen, helst i en regim där kvantfysikens lagar dominerar dess beteende. Tidigare försök att uppnå detta, har antingen modulerat själva den optiska pincetten, eller nedsänkte partikeln i ytterligare ljusfält mellan högreflekterande spegelkonfigurationer, dvs optiska hålrum.

Dock, laserbrus och stora erforderliga laserintensiteter har ställt en väsentlig gräns för dessa metoder. "Vårt nya kylsystem är direkt lånat från atomfysikgemenskapen, där liknande utmaningar för kvantkontroll finns ", säger Uros Delic, huvudförfattare till den senaste studien publicerad i Fysiska granskningsbrev av forskare vid universitetet i Wien, den österrikiska vetenskapsakademin och Massachusetts Institute of Technology (MIT), som leddes av Markus Aspelmeyer. Idén går tillbaka till tidiga verk från Innsbruck -fysikern Helmut Ritsch och från amerikanska fysiker Vladan Vuletic och Steve Chu, som insåg att det är tillräckligt att använda ljuset som sprids direkt från själva den optiska pincetten om partikeln hålls inuti ett initialt tomt optiskt hålrum.

En nanopartikel i en optisk pincett sprider en liten del av pincettljuset i nästan alla riktningar. Om partikeln är placerad inuti en optisk kavitet kan en del av det spridda ljuset lagras mellan dess speglar. Som ett resultat, fotoner sprids företrädesvis in i den optiska kaviteten. Dock, detta är endast möjligt för ljus med specifika färger, eller sagt annorlunda, specifika fotonergier. Om vi ​​använder pincettljus av en färg som motsvarar en något mindre fotonenergi än vad som krävs, nanopartiklarna kommer att "offra" en del av sin rörelseenergi för att tillåta fotonspridning i den optiska kaviteten. Denna förlust av rörelseenergi kyler effektivt dess rörelse. Metoden har demonstrerats för atomer tidigare av Vladan Vuletic, en medförfattare till detta arbete. Detta är, dock, första gången den har applicerats på nanopartiklar och använts för att svalna i alla tre rörelseriktningar.

"Vår kylmetod är mycket kraftfullare än alla tidigare visade system. Utan de begränsningar som laserbrus och lasereffekt innebär bör kvantbeteende för leviterade nanopartiklar vara runt hörnet", säger Delic.