Wanneer een deeltje volledig geïsoleerd is van zijn omgeving, de wetten van de kwantumfysica beginnen een cruciale rol te spelen. Een belangrijke vereiste om kwantumeffecten te zien, is om alle thermische energie uit de deeltjesbeweging te verwijderen, d.w.z. om het zo dicht mogelijk bij het absolute nulpunt af te koelen. Onderzoekers van de Universiteit van Wenen, de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) zijn nu een stap dichter bij het bereiken van dit doel door een nieuwe methode te demonstreren voor het koelen van zwevende nanodeeltjes. Ze publiceren hun resultaten nu in het gerenommeerde tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Strak gerichte laserstralen kunnen fungeren als een optisch "pincet" om kleine objecten te vangen en te manipuleren, van glasdeeltjes tot levende cellen. De ontwikkeling van deze methode heeft Arthur Ashkin vorig jaar de Nobelprijs voor natuurkunde opgeleverd. Hoewel de meeste experimenten tot nu toe in lucht of vloeistof zijn uitgevoerd, er is een toenemende belangstelling voor het gebruik van optische pincetten om objecten in ultrahoog vacuüm te vangen:dergelijke geïsoleerde deeltjes vertonen niet alleen ongekende detectieprestaties, maar kan ook worden gebruikt om fundamentele processen van nanoscopische warmtemotoren te bestuderen, of kwantumverschijnselen waarbij grote massa's betrokken zijn.

Een belangrijk element in deze onderzoeksinspanningen is het verkrijgen van volledige controle over de deeltjesbeweging, idealiter in een regime waar de wetten van de kwantumfysica zijn gedrag domineren. Eerdere pogingen om dit te bereiken, hebben ofwel de optische pincet zelf gemoduleerd, of het deeltje ondergedompeld in extra lichtvelden tussen sterk reflecterende spiegelconfiguraties, d.w.z. optische holtes.

Echter, laserruis en grote vereiste laserintensiteiten hebben een aanzienlijke limiet gesteld aan deze methoden. "Ons nieuwe koelschema is rechtstreeks ontleend aan de atomaire fysica-gemeenschap, waar vergelijkbare uitdagingen voor kwantumcontrole bestaan", zegt Uros Delic, hoofdauteur van de recente studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven door onderzoekers van de Universiteit van Wenen, de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en het Massachusetts Institute of Technology (MIT), die werd geleid door Markus Aspelmeyer. Het idee gaat terug op vroege werken van de Innsbruck-natuurkundige Helmut Ritsch en van de Amerikaanse natuurkundigen Vladan Vuletic en Steve Chu, die zich realiseerde dat het voldoende is om het licht te gebruiken dat rechtstreeks van het optische pincet zelf wordt verstrooid als het deeltje in een aanvankelijk lege optische holte wordt gehouden.

Een nanodeeltje in een optische pincet verstrooit een klein deel van het pincetlicht in bijna alle richtingen. Als het deeltje zich in een optische holte bevindt, kan een deel van het verstrooide licht tussen zijn spiegels worden opgeslagen. Als resultaat, fotonen worden bij voorkeur verstrooid in de optische holte. Echter, dit is alleen mogelijk voor licht van specifieke kleuren, of anders gezegd, specifieke fotonenergieën. Als we pincetlicht gebruiken van een kleur die overeenkomt met een iets kleinere fotonenergie dan vereist, de nanodeeltjes zullen een deel van hun kinetische energie "opofferen" om fotonverstrooiing in de optische holte mogelijk te maken. Dit verlies van kinetische energie koelt effectief zijn beweging. De methode is al eerder voor atomen gedemonstreerd door Vladan Vuletic, een co-auteur van dit werk. Dit is, echter, de eerste keer dat het is toegepast op nanodeeltjes en wordt gebruikt om in alle drie de bewegingsrichtingen af ​​te koelen.

"Onze koelmethode is veel krachtiger dan alle eerder gedemonstreerde schema's. Zonder de beperkingen die worden opgelegd door laserruis en laservermogen zou het kwantumgedrag van zwevende nanodeeltjes om de hoek moeten zijn", zegt Delic.