ETH-onderzoekers hebben een nanodeeltje afgekoeld tot een record lage temperatuur, dankzij een uitgekiende experimentele opstelling die voor koeling gebruik maakt van verstrooid laserlicht. Tot nu, niemand heeft ooit een nanodeeltje afgekoeld tot zulke lage temperaturen in een fotonenkooi. Dominik Windey en René Reimann – een doctoraalstudent en postdoc in de groep onder leiding van Lukas Novotny, Hoogleraar Fotonica – zijn erin geslaagd een glasparel van 140 nanometer af te koelen tot enkele duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt.

De onderzoekers publiceerden onlangs details van hun werk in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Hun doorbraak kwam in de vorm van een geavanceerde experimentele opstelling met optische pincetten, waarbij een nanodeeltje met behulp van een laserstraal kan worden laten zweven. De groep heeft in eerder werk al hetzelfde optische pincet gebruikt, waarin ze een nanodeeltje met extreem hoge snelheid om zijn eigen as lieten draaien.

Een dunne lijn

De wetenschappers hebben het optische pincet nu aangevuld met een fotonenkooi die er loodrecht op staat. Deze kooi bestaat uit twee sterk reflecterende spiegels, wiens positie de onderzoekers kunnen aanpassen tot op enkele miljardsten van een millimeter.

Deze nauwkeurige afstelling is cruciaal, aangezien het deeltje een deel van het laserlicht verstrooit en de wetenschappers de afstand tussen de spiegels kunnen gebruiken om te bepalen welk type licht wordt verstrooid. "We kunnen de spiegels aanpassen om meer licht te verstrooien met een iets hogere frequentie dan het primaire laserlicht, ", legt Windey uit. "Omdat licht met een hogere frequentie ook een hogere energie heeft, de fotonen absorberen energie van het nanodeeltje tijdens verstrooiing." Met andere woorden, als de spiegel correct is afgesteld, de glasparel verliest continu energie en zijn trillingsamplitude wordt steeds kleiner:hij koelt af.

"Het belangrijkste kenmerk van onze experimentele opstelling is dat de oscillatie van het deeltje niet alleen kleiner wordt in één richting, maar in alle drie de dimensies, ", zegt Windey. "Dit is niet mogelijk met andere experimentele opstellingen die in de literatuur worden gevonden met betrekking tot nanodeeltjes in fotonkooien." Dat koeling in drie dimensies plaatsvindt, werd bevestigd door theoretische berekeningen uitgevoerd door collega's van de Universiteit van Innsbruck, met wie de ETH-onderzoekers hun werk publiceerden.

Een magische grens naderen

Met hun laatste experiment, de onderzoekers naderen een magische limiet:de temperatuur waarbij nanodeeltjes overgaan in wat bekend staat als de kwantumgrondtoestand. Als dit bereikt zou zijn, het zou het voor het eerst mogelijk maken om kwantumexperimenten uit te voeren met relatief grote objecten; bijvoorbeeld, het zou mogelijk zijn om te onderzoeken hoe een glasparel zich gedraagt ​​als twee verschillende kwantumtoestanden over elkaar heen worden gelegd.

Echter, het zal veel werk vergen om op dat punt te komen. "Onze temperaturen zijn nog steeds een factor 100 te hoog, ", zegt Windey. "We moeten de kraal veel meer vertragen als we de kwantumgrondtoestand willen bereiken." Dit zou nu mogelijk moeten zijn met een nog geavanceerder systeem waarin de onderzoekers een tweede fotonkooi toepassen - in wezen een twee -fase koelsysteem.

Onverwachte bron van verstoring

Natuurlijk, dit zal wederom aanzienlijk meer inspanning vergen. "Het systeem is extreem gevoelig, ", legt Windey uit. Zelfs de kleinste verstoring verschuift de afstand tussen de spiegels. het deeltje wordt niet meer gekoeld maar juist opgewarmd, en kan niet langer in het optische pincet worden gehouden - terug naar af, met andere woorden. "Vanaf het begin we hadden te maken met onverwachte trillingen, "zegt Windey. "Dan, we ontdekten dat ons labgebouw op de Hönggerberg door de drukte overdag 4 micrometer heen en weer beweegt. Dit betekende dat we onze metingen 's nachts moesten doen."

Hoewel de enorme gevoeligheid van de meetapparatuur het de onderzoekers nog steeds moeilijk maakt, er zou een praktische toepassing van juist deze factor kunnen zijn. "Het systeem zou kunnen worden gebruikt om een ​​extreem gevoelige versnellingsmeter te bouwen, " zegt Windey. "En als we het deeltje eenmaal in de kwantumstaat hebben, zullen we doorbuigingen nog nauwkeuriger kunnen bepalen."