ETH -forskare har kylt en nanopartikel till rekordlåg temperatur, tack vare en sofistikerad experimentell uppställning som använder spritt laserljus för kylning. Tills nu, ingen har någonsin kylt en nanopartikel till så låga temperaturer i en fotonbur. Dominik Windey och René Reimann - doktorand och postdoc i gruppen som leds av Lukas Novotny, Professor i fotonik - har lyckats kyla ner en 140 nanometer glaspärla till några tusendelsgrader över den absoluta nollan.

Forskarna publicerade nyligen detaljer om sitt arbete i tidningen Fysiska granskningsbrev . Deras genombrott kom i form av en sofistikerad experimentell uppsättning med optisk pincett, varigenom en nanopartikel kan fås att sväva med hjälp av en laserstråle. Gruppen har redan använt samma optiska pincett i tidigare arbete, där de fick en nanopartikel att rotera runt sin egen axel med extremt hög hastighet.

En fin linje

Forskarna har nu kompletterat den optiska pincetten med en fotonbur placerad vinkelrätt mot den. Denna bur består av två högreflekterande speglar, vars position forskarna kan anpassa sig till inom några miljarder millimeter.

Denna exakta justering är avgörande, eftersom partikeln sprider en del av laserljuset och forskarna kan använda avståndet mellan speglarna för att kontrollera vilken typ av ljus som sprids. "Vi kan justera speglarna för att sprida mer ljus med en något högre frekvens än det primära laserljuset, "förklarar Windey." Eftersom högre frekvensljus också är högre i energi, fotonerna absorberar energi från nanopartikeln under spridning. "Med andra ord, om spegeln är rätt inställd, glaspärlan tappar energi kontinuerligt och dess svängningsamplitud blir mindre och mindre:den svalnar.

"Nyckelfunktionen i vårt experimentella upplägg är att partikelns oscillation inte bara blir mindre i en riktning, men i alla tre dimensioner, "säger Windey." Detta är inte möjligt med andra experimentella uppsättningar som finns i litteraturen om nanopartiklar i fotonburar. "Det faktum att kylning sker i tre dimensioner bekräftades av teoretiska beräkningar utförda av kollegor vid University of Innsbruck, med vilka ETH -forskarna publicerade sitt arbete.

Närmar sig en magisk gräns

Med deras senaste experiment, forskarna kommer närmare en magisk gräns:temperaturen vid vilken nanopartiklar passerar in i det som kallas kvantjordtillståndet. Om detta nåddes, det skulle göra det möjligt att utföra kvantexperiment med relativt stora objekt för första gången; till exempel, det skulle vara möjligt att undersöka hur en glaspärla beter sig om två olika kvanttillstånd läggs över varandra.

Dock, det kommer att krävas mycket arbete för att nå den punkten. "Våra temperaturer är fortfarande för höga med en faktor på mer än 100, "säger Windey." Vi måste bromsa pärlan mycket mer om vi vill nå kvantjordtillståndet. "Detta borde nu vara möjligt med ett ännu mer sofistikerat system där forskarna applicerar en andra fotonbur - i huvudsak implementerar en två -stegs kylsystem.

Oväntad störningskälla

Självklart, detta kommer återigen att innebära betydligt mer ansträngning. "Systemet är extremt känsligt, "förklarar Windey. Även den minsta störningen flyttar avståndet mellan speglarna. Som ett resultat, partikeln kyls inte längre utan värms upp, och kan inte längre hållas i den optiska pincetten - tillbaka till ruta ett, med andra ord. "Redan från början, vi fick kämpa med oväntade vibrationer, "säger Windey." Sedan, vi upptäckte att på grund av trafik rör sig vårt laboratorium på Hönggerberg fram och tillbaka med 4 mikrometer under dagen. Detta innebar att vi var tvungna att utföra våra mätningar på natten. "

Även om mätutrustningens känslighet fortfarande gör livet svårt för forskarna, det kan finnas en praktisk tillämpning av just denna faktor. "Systemet kan användas för att bygga en extremt känslig accelerometer, "säger Windey." Och när vi väl har partikeln i kvanttillstånd, vi kommer att kunna bestämma avböjningar ännu mer exakt. "