Onderzoekers hebben een nieuw apparaat ontwikkeld dat een nanodeeltje gevangen in een laserstraal kan meten en besturen met ongekende gevoeligheid. De nieuwe technologie kan wetenschappers helpen de beweging van een macroscopisch deeltje te bestuderen met subatomaire resolutie, een schaal die wordt beheerst door de regels van de kwantummechanica in plaats van de klassieke fysica.

De onderzoekers van de Universiteit van Wenen in Oostenrijk en de Technische Universiteit Delft in Nederland rapporteren hun nieuwe apparaat in optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met een hoge impact. Hoewel de benadering is gebruikt met ingesloten atomen, het team is de eerste die het gebruikt om de beweging van een optisch gevangen nanodeeltje van miljarden atomen nauwkeurig te meten.

"Op de lange termijn, dit type apparaat kan ons helpen om materialen op nanoschaal en hun interacties met de omgeving op een fundamenteel niveau te begrijpen, "Zei onderzoeksteamleider Markus Aspelmeyer van de Universiteit van Wenen. "Dit zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om materialen op maat te maken door gebruik te maken van hun nanoschaalkenmerken.

"We werken aan het verbeteren van het apparaat om onze huidige gevoeligheid met vier ordes van grootte te vergroten, "Vervolgde Aspelmeyer. "Dit zou ons in staat stellen om de interactie van de holte met het deeltje te gebruiken om de kwantumtoestand van het deeltje te onderzoeken of zelfs te controleren, dat is ons uiteindelijke doel."

Kleine metingen doen

De nieuwe methode maakt gebruik van een lichtgeleidend apparaat op nanoschaal, een fotonische kristalholte genaamd, om de positie van een zwevend nanodeeltje in een traditionele optische val te volgen. Optische trapping maakt gebruik van een gerichte laserstraal om een ​​kracht op een object uit te oefenen om het op zijn plaats te houden. De techniek werd erkend door de toekenning van de Nobelprijs voor de natuurkunde 2018 als pionier, Arthur Asjkin.

"We weten dat de wetten van de kwantumfysica van toepassing zijn op de schaal van atomen en de schaal van moleculen, maar we weten niet hoe groot een object kan zijn en toch kwantumfysica-verschijnselen kan vertonen, " zei Aspelmeyer. "Door een nanodeeltje te vangen en te koppelen aan een fotonische kristalholte, we kunnen een object isoleren dat groter is dan atomen of moleculen en het kwantumgedrag ervan bestuderen."

Het nieuwe apparaat bereikt een hoge mate van gevoeligheid door gebruik te maken van een lange fotonische kristalholte die smaller is dan de golflengte van het licht. Dit betekent dat wanneer licht de holte op nanoschaal binnenkomt en naar beneden gaat, een deel ervan lekt naar buiten en vormt een zogenaamd verdwijnend veld. Het verdwijnende veld verandert wanneer een object dicht bij het fotonische kristal wordt geplaatst, wat op zijn beurt op een meetbare manier verandert hoe het licht zich door het fotonische kristal voortplant.

"Door te onderzoeken hoe licht in het fotonische kristal verandert als reactie op het nanodeeltje, we kunnen de positie van het nanodeeltje in de tijd afleiden met een zeer hoge resolutie, " zei Lorenzo Magrini, eerste auteur van het artikel.

Elk foton verzamelen

Het nieuwe apparaat detecteert bijna elk foton dat interageert met het ingesloten nanodeeltje. Dit helpt niet alleen om een ​​extreem hoge gevoeligheid te bereiken, maar betekent ook dat de nieuwe aanpak veel minder optisch vermogen gebruikt in vergelijking met andere methoden waarbij de meeste fotonen verloren gaan.

Onder vacuümomstandigheden, de onderzoekers toonden aan, voor elk gedetecteerd foton, een gevoeligheid die twee orden van grootte hoger is dan conventionele methoden voor het meten van nanodeeltjesverplaatsing in een optische val. Ze melden ook dat de sterkte van de interactie tussen het deeltje en het verdwijnende veld van de holte drie ordes van grootte hoger was dan wat eerder is gemeld. Sterkere interactie betekent dat de fotonische holte meer informatie over de beweging van het deeltje kan detecteren.

Net als bij verschillende andere onderzoeksgroepen over de hele wereld, de onderzoekers werken aan het bereiken van kwantummetingen. Ze verbeteren nu hun setup en werken eraan om de gevoeligheid van het apparaat aanzienlijk te vergroten. Hierdoor zouden metingen kunnen worden uitgevoerd onder sterkere vacuümomstandigheden die de isolatie van een deeltje van de omgeving vergroten. Naast het bestuderen van kwantummechanica, het nieuwe apparaat zou kunnen worden gebruikt om de versnelling en andere krachten die kunnen optreden in microscopisch kleine lengteschalen nauwkeurig te meten.