Левитирующую наночастицу охладили в двух измерениях из трех

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).

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.