記録破りの光散乱によって冷却されたナノ粒子

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Anonim
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研究者たちは、光散乱を使用して、ナノ粒子を1ケルビン未満の温度に冷却することに成功しました。これらの結果は、この方法を使用して以前に達成された結果よりも大幅に優れているだけでなく、量子振動が運動の主成分である場合に、ナノ粒子を量子領域に冷却する理論的可能性も示しています。このトピックに関する2つの論文がPhysicalReviewLettersに掲載されました。

光による小さな物体の操作は、現代の研究で活発に発展している分野の1つです。この分野の重要な技術の1つは光ピンセットであり、その発明によりアーサー・エシュキンはノーベル物理学賞を受賞しました。このアプローチは、基本的な物理学のコンテキストで使用されます。たとえば、非平衡熱力学の研究、超低力の測定、または小さな電荷を持つ素粒子の検索などです。しかし、生物学的ニーズに合わせて細胞を選別したり、顕微鏡の焦点面に生物を保持して方向付けたりするなど、それに基づいて開発された応用技術もあります。

別の研究トピックは、レーザーピンセットによって保持されているナノ粒子の冷却です。物理学者は、トラップされた物体の振動振幅を可能な限り低減しようとし、最終的には、任意に近い温度でも存在する量子振動によって運動への支配的な寄与が行われるときに、粒子の主要な量子力学的状態に到達することを望んでいます。絶対零度に。この場合、波動関数の崩壊、重力の量子的性質などの研究だけでなく、量子効果の巨視的発現に関する実験が可能になります。これまでのところ、これを行うことに成功した人は誰もいません。これには、体をマイクロケルビンのオーダーの温度に冷却する必要があるためです。

誘電体粒子を浮揚させることからエネルギーを抽出する主な方法は2つあります。 1つ目は、光検出器を使用した粒子の絶え間ない追跡と、粒子の動きを遅くする力の適用に基づいています。したがって、約ミリケルビンの温度に到達することは可能でしたが、不十分な効果の運動測定システムによってさらなる進歩が妨げられています。 2番目の方法は、粒子を光共振器に閉じ込めることであり、体の動きが放射線に影響を与え、高精度で記録することができます。

2つの独立した研究グループが、光共振器内のナノ粒子の冷却を改善するための同様のスキームを提案しました。1つはウィーン大学からMarkus Aspelmeyerの指導の下、もう1つはチューリッヒのスイス高等工科専門学校からRenéReimannの指導の下です。これまでのほとんどの研究との主な違いは、3次元共振器にナノ粒子が閉じ込められ、3次元すべての放射線を反射できることですが、以前は1次元が主に使用されていました。どちらの作業でも、約140ナノメートルのサイズの二酸化ケイ素粒子が使用されます。これらの粒子は、同時に光共振器内で高真空条件下にあり、レーザーピンセットによって保持されます。

通常の状況では、光子がナノ粒子によって散乱されると、運動量がナノ粒子に伝達され、それが加熱を引き起こします。ただし、キャビティ内の放射の周波数を調整すると、散乱を制御できます。新作の枠組みでは、共振器の周波数がレーザーピンセットの周波数を約400キロヘルツ上回っていました。このため、レーザー放射の散乱は、主に共鳴周波数、つまり粒子と相互作用する前よりもわずかに高い光子を生成しました。彼らは、ナノ粒子の機械的振動から必要なエネルギーを受け取り、その結果、冷却されました。

科学者たちはナノ粒子の動きを追跡し、閉じ込めレーザーの伝播方向の小さな変化を記録しました。観察により、3次元すべてで減速が示され、提案された方法の有効性が証明されています。チューリッヒグループは、10〜5ミリバールの圧力で数ミリケルビンの温度に到達することができました。ウィーンの研究者は、10〜2ミリバールの圧力で1ケルビンまで冷却することを達成しました。したがって、この冷却方法の記録的な結果にもかかわらず、粒子は依然として古典的な振動モードにありました。著者らは、現時点では、この方法は周囲の空気分子からの加熱とレーザーピンセットの位置の変動に限定されていると述べています。これらのパラメータを改善することで、目的の結果に近づくことができます。

レーザー機器の動作原理については、「メスとピンセット」の資料に詳しく書き、ノーベル物理学賞を受賞した理由を説明しました。

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