Исследователям удалось
добиться охлаждения наночастиц до температур ниже одного кельвина при помощи
рассеяния света. Эти результаты не только существенно лучше достигнутых ранее при
помощи этого метода, но и также показывают теоретическую возможность охлаждения наночастиц
до квантового режима, когда основным компонентом движения окажутся квантовые
колебания. Две работы на эту тему опубликованы в журнале Physical Review
Letters.

Манипулирование
крошечными объектами при помощи света — одно из активно развивающихся направлений современных
исследований. Одной из ключевых технологий в этой области являются оптические пинцеты, за изобретение которых Артур Эшкин получил Нобелевскую премию по
физике. Данный подход используется в контексте фундаментальной физики,
например, для исследований по неравновесной термодинамике, измерении сверхмалых
сил или поиска элементарных частиц с крохотным электрическим зарядом. Однако
также существуют разработанные на его основе прикладные методики, такие как
сортировка клеток для биологических нужд или удержание и ориентация живых объектов
в фокальной плоскости микроскопа.

Отдельной темой
исследований является охлаждение удерживаемых лазерным пинцетом наночастиц.
Физики пытаются как можно сильнее уменьшить амплитуды колебаний захваченных тел, желая,
в конечном счете, достичь основного квантово-механического состояния частицы,
когда доминирующий вклад в движение будут вносить квантовые колебания,
существующие даже при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре. В
таком случае станут возможны опыты по макроскопическим проявлениям квантовых
эффектов, а также изучение коллапса волновой функции, квантовой природы гравитации и
многое другое. Пока этого никому сделать не удалось, так как для этого
требуется охладить тело до температуры порядка микрокельвина.

Существует два основных
метода отбора энергии у левитирующих диэлектрических частиц. Первый основан на
постоянном слежении за частицей при помощи фотодетекторов и приложении сил,
замедляющих ее движение. Таким образом удалось достичь температур около
милликельвина, но дальнейшее продвижение затрудняется недостаточно эффективными системами измерения движения. Второй способ предполагает удержание частицы в
оптическом резонаторе, причем движение тела будет сказываться на излучении, что
можно зафиксировать с высокой точностью.

Две независимые группы
исследователей предложили схожие схемы улучшения охлаждения наночастиц в
оптических резонаторах — одна из Венского университета под руководством Маркуса
Аспельмейера (Markus Aspelmeyer), а другая из Швейцарской высшей технической школы Цюриха под
руководством Рене Реймана (René Reimann). Основным отличием от большинства предыдущих работ
является удержание наночастиц в трехмерных резонаторах, способных отражать излучение во всех трех измерениях, в то время как раньше в основном использовались
одномерные. В обеих работах используются частицы диоксида кремния размером
около 140 нанометров, которые одновременно находятся в условиях высокого вакуума
в оптическом резонаторе и удерживаются лазерным пинцетом.

В обычной ситуации при
рассеянии фотонов на наночастице ей передается импульс, из-за чего происходит
нагревание. Однако настройка частоты излучения в резонаторе позволяет управлять
рассеянием. В рамках новых работ частота резонатора превышала частоту лазерного
пинцета примерно на 400 килогерц. Благодаря этому рассеяние лазерного
излучения преимущественно порождало фотоны с резонансной частотой, то есть чуть
выше, чем она была до взаимодействия с частицей. Необходимую энергию они
получали из механических вибраций наночастицы, которая в результате
охлаждалась.

Ученые следили за
движением наночастиц, регистрируя небольшие изменения в направлении распространения
удерживающего лазера. Наблюдения показали замедление движения по всем трем
измерениями, что доказывает эффективность предложенного метода. Группе из
Цюриха удалось достичь температур в несколько милликельвинов при давлении 10^-5
миллибар. Исследователи из Вены добились охлаждения до одного кельвина при
давлении 10^-2 миллибар. Таким образом, несмотря на рекордные для данного
способа охлаждения результаты, частицы все еще находились в классическом режиме
колебаний. Авторы отмечают, что на данный момент метод ограничен нагревом от
окружающих молекул воздуха и колебаниями положения лазерного пинцета. Улучшения
этих параметров позволят приблизиться к желаемому результату.

Подробно о принципе работы лазерных инструментов мы писали в материале «Скальпель и пинцет», в котором объясняли, за что была присуждена Нобелевская премия по физике 2018 года.

Тимур Кешелава