Иллюстрация: Johannes Piotrowski et al. / Nature Physics, 2023. Физики из Австрии, ОАЭ и Швейцарии смогли охладить стеклянную наночастицу, подвешенную в оптическом пинцете, до населенности около 0,8 в двух из трех направлениях колебания. Для этого им потребовалось поместить частицу в резонатор и настроить его на резонанс с антистоксовыми компонентами рассеяния света. В перспективе авторы планируют добиться полного охлаждения колебательных мод, что поможет сделать точнее приложения на основе оптической левитации. Исследование опубликовано в Nature Physics. Повседневный опыт человека хорошо описывается классической механикой, в которой тела могут обладать произвольными импульсами и координатами. Физика атомов и молекул, напротив, подчиняется законам квантовой механики.
Там координатные и импульсные свойства тел связаны соотношением неопределенности и подчиняются вероятностному распределению, выраженному через волновую функцию. Например, маятник (гармонический осциллятор) в квантовой механике обладает дискретным набором энергий, а его основное состояние делокализовано в пределах удерживающего потенциала.
Сегодня граница между этими двумя картинами проходит в механике тел, размерами несколько сотен или тысяч нанометров. Наибольших успехов физики достигли при работе с микромембранами, которые они умеют переводить в почти чистые колебательные квантовые состояния.
Другим направлением исследования стало охлаждение левитирующих наночастиц. Эти объекты используют в качестве сенсоров и модельных систем. Наибольшую эффективность такие приложения покажут лишь тогда, когда частица окажется в основном механическом состоянии в потенциале оптического пинцета. Проблема в том, что этот потенциал — трехмерный, а значит охлаждению следует подвергать сразу три колебательные моды. Пока ученые справились лишь с одной.
Группа физиков из Австрии, ОАЭ и Швейцарии под руководством Лукаса Новотного (Lukas Novotny) продвинулась еще на один шаг в этом направлении. Ученые сообщили о том, что им удалось охладить наночастицу до основных состояний сразу в двух направлениях, перпендикулярно оси оптического пинцета. Авторы сообщают о достижении населенностей, равных 0,83 и 0,81.
Гармонический осциллятор в квантовой механике обладает дискретным набором энергий, разделенных равным промежутком, которые перебираются с помощью квантового числа n. Реальные колебательные системы слегка отступают от эквидистантности уровней. Кроме того, их реальные состояния чаще всего представляют собой смесь состояний с разными n, поэтому имеет смысл говорить лишь о статистике, например, о среднем n и его среднеквадратичном отклонении.
Задача об охлаждении наночастицы в оптическом пинцете эквивалентна переводу ее в как можно низшее состояние, то есть состояние с наименьшим средним n. Этого можно было бы добиться, заставив частицы излучать. Но на практике это проще реализовать с помощью комбинационного (рамановского рассеяния). В отличие от рэлеевского, рассеяние Рамана приводит к изменению частоты рассеянного фотона в меньшую (большую) сторону за счет перехода квантовой системы в верхнее (нижнее) состояние. Такое рассеяние физики называют (анти)стоксовым.
Проблема в том, что в обычных условиях стоксово рассеяние преобладает над антистоксовым, и частицы нагреваются. Однако этот баланс можно изменить, если поместить всю систему в резонатор. Когда частота резонатора близка к частоте антистоксовых компонент, рассеяние чаще будет уносить энергию от частицы, чем привносить, и она начнет охлаждаться. Более того, снимая спектр этого рассеяния, можно оценить среднее n частицы, поскольку от этого параметра зависит баланс между стоксовыми и антистоксовыми компонентами (это называется термометрией боковой полосы).
Спектр света, рассеянного наночастицей. Когда частота резонатора (его передаточная функция обозначена голубой штриховой линией) соответствует антистоксовым компонентам, они усиливаются (черная линия против серой). Johannes Piotrowski et al. / Nature Physics, 2023
Именно такой подход использовали физики. В их эксперименте сфера из диоксида кремния радиусом 143 нанометра была подвешена оптическим пинцетом с длиной волны 1550 нанометров в середине резонатора, чью частоту авторы могли настраивать. Свет был линейно поляризован под 45 градусов к ожидаемым осям охлаждения, чтобы воздействовать на обе из них. Авторы отстраивали частоту резонатора, и когда она соответствовала антистоксовым компонентам, исследователи зафиксировали падение средних населенности колебаний в двух направлениях до 0,83±0,10 и 0,81±0,12, соответственно.
Ученые убедились, что выстраивание поляризации только вдоль одного из направлений, позволяет эффективно (вплоть до 0,46) охладить соответствующее колебание, пока другое остается возбужденным. Авторы считают, что объединение их результата с результатами охлаждения вдоль оси пинцета, проведенного ранее, — это следующий шаг, осуществимый в ближайшем будущем.
Ранее мы рассказывали, что наночастицы, подвешенные оптическим пинцетом, можно использовать для поиска нейтрино. Но для этого их как раз потребуется охладить в основное состояние.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
