Enfriamiento de una nanopartícula levitante por medio de un resonador óptico

La primavera está en pleno apogeo, la última nieve se derritió en casi todas partes y reinó el calor tan esperado. Las personas amantes del calor finalmente están comenzando a quitarse los suéteres, bufandas y sombreros de punto, y las morsas ya están en plena marcha en pantalones cortos y camisetas. Mientras tanto, el resfriado de un perro reina en uno de los laboratorios de la Universidad de Viena, y los científicos están muy contentos por esto, porque es extremadamente difícil estudiar los efectos cuánticos de las nanopartículas de una manera diferente. Sin revoluciones literarias, hoy nos familiarizaremos con la prueba práctica de un nuevo método para enfriar una nanopartícula levitante por medio de una trampa de un resonador óptico. ¿Por qué y cómo los científicos congelaron la nanopartícula a casi cero absoluto, qué tan efectivo es su método y qué puede aportar al estudio de los efectos cuánticos? Encontraremos respuestas a estas y otras preguntas en el informe del grupo de investigación. Vamos

Base del experimento

La captura de partículas con láser y su enfriamiento es una de las herramientas muy populares en física atómica, como dicen los propios científicos, y es difícil estar en desacuerdo con ellas. Si omitimos todas las formulaciones del complejo súper-duper a partir de las cuales el cabello se parará incluso donde no parece existir, entonces todo el proceso se puede describir de la siguiente manera: el enfriamiento motor de un átomo o molécula es posible debido al rechazo completo de la absorción de fotones láser desplazados Doppler y posterior espontáneo radiación Pero este proceso depende de la estructura interna de la partícula enfriada. Esta dependencia se puede evitar combinando el movimiento de la partícula y el campo del resonador óptico, lo que dará como resultado un nuevo esquema de enfriamiento.

De gran interés en los círculos de investigación fue el método de enfriamiento del resonador mediante la dispersión coherente del campo de una trampa óptica. En tal situación, un dipolo controlado produce una dispersión coherente con el campo de excitación. La dispersión de fotones en un resonador óptico inicialmente vacío también proporciona un nuevo método de enfriamiento. Si aplica la desintonización láser correcta del campo de excitación desde el resonador, puede mejorar de manera resonante el proceso de dispersión, lo que a su vez elimina la energía del movimiento de las partículas. Es la eliminación de esta energía lo que se está enfriando.


Imagen No. 1: dos opciones para el enfriamiento resonante de una partícula levitante.

La Figura 1a muestra que el enfriamiento resonante a través de la dispersión coherente de trampas ópticas (a veces "pinzas") se basa en la radiación dipolo emitida en un resonador óptico vacío.

Imagen 1b : en la optomecánica dispersiva estándar, un láser externo controla tanto el resonador como la dispersión. El enfriamiento óptimo es posible con el mayor gradiente de intensidad del modo de cavidad.

En su trabajo, los científicos demostraron la implementación práctica del enfriamiento resonante de una nanopartícula levitante mediante dispersión coherente. Al mismo tiempo, los científicos lograron llevar a cabo este proceso en tres direcciones de movimiento térmico, mientras que anteriormente tales experimentos se llevaron a cabo con éxito en una sola dirección y solo con átomos como sujetos.

Base teórica

A quien le encantan las fórmulas hermosas que se parecen al encaje de la abuela, ahora consideraremos un par de estas.


Imagen N ° 2: esquema de enfriamiento resonante mediante dispersión coherente.

Una trampa óptica está formada por un láser con una frecuencia ω _tω , que se enfoca mediante un objetivo de microscopio ( OM ) en una cámara de vacío ( vac ). La nanopartícula levita en el centro del resonador Fabry - Perot. Se extrae un rayo de bloqueo débil del láser de captura y se controla por resonancia el resonador óptico a la frecuencia ω ₂ , lo que _hace posible fijar de manera estable ω _tω y ω _{2 en} relación con la frecuencia del resonador óptico. PBS en la imagen de arriba es el divisor del haz de polarización, y is _het es la frecuencia de demodulación heterodina.

Ahora considere una nanopartícula atrapada por unas pinzas láser con los cuellos del haz (W _{x; y} , la parte más angosta del haz láser) dentro de una cavidad óptica vacía con un volumen de cavidad V (boca del haz w ₀ ) y en posición x _{0 a lo} largo del eje del resonador (imagen No. 2 )

En este caso, la interacción entre el dipolo inducido y el campo eléctrico interno (local) puede describirse como el siguiente hamiltoniano:



Designaciones:

E _tw y E _cav son los campos eléctricos de las pinzas y los modos de resonador;
ω _tw - frecuencia de pinzas;
ω _cav es la frecuencia del resonador;
⍺ es la polarización de las partículas;
operadores de campo â † y â- resonador;
⍷ ₀ es la constante eléctrica;
c es la velocidad de la luz;
k es el número de onda;
zR: longitud de Rayleigh.

Cuando la frecuencia de las pinzas se acerca a la resonancia del resonador óptico, la densidad del modo resonador puede cambiar el espectro de radiación del dipolo, lo que conduce a una dispersión coherente amplificada de forma resonante.

Tal dispersión tiene varias características distintivas. En primer lugar, debido a la directividad de la radiación dipolo dispersa, la fuerza de interacción depende mucho de la polarización del láser de captura. En segundo lugar, esta interacción se mejorará paralelamente a la intensidad de campo tanto de la trampa óptica como del resonador. En tercer lugar, la interacción en el campo eléctrico del resonador es lineal.

Implementación práctica

Como podemos ver en el diagrama de la imagen No. 2, el objetivo del microscopio y el resonador Fabry - Perot se encuentran dentro de la cámara de vacío. La lente enfoca un láser de 1064 nm en el cuello de W _x 0.67 μm y W _y 0.77 μm, formando unas pinzas ópticas (trampa) que capturan una nanoesfera de cuarzo de 71.5 nm de diámetro. La trampa es elíptica en el plano transversal con frecuencias mecánicas no degeneradas (Ωx, Ωy, Ωz) / 2Π = (190, 170, 38) kHz. La lente en sí está montada en un nanoposicionador de tres ejes en incrementos de 8 nm. Para controlar la desafinación entre las frecuencias del láser y el resonador, parte de la luz se desplaza en frecuencia ω ₂ = ω _cav -FSR-Δ y bombea débilmente el resonador óptico. Esto proporciona una señal de enclavamiento que permite que la fuente láser de las pinzas ópticas siga la cavidad de Fabry-Perot de deriva libre.

La configuración experimental tiene 4 canales de detección / detección (I-IV). Detectando directamente el movimiento de partículas en las tres direcciones (I) obtenidas por dispersión de pinzas ópticas. Detección homogénea de transmisión del láser de fijación en la cavidad (II), que permite la detección optomecánica de la posición a lo largo del eje de la cavidad. Esto es necesario para alinear la partícula en relación con el campo de la cavidad sin la necesidad de confiar en la luz dispersa de manera coherente. También se midió el poder de los fotones dispersados ​​coherentemente en el resonador óptico (III), rastreando simultáneamente la fuga del campo desde el espejo izquierdo del resonador. La cuarta detección (IV) es la detección de radiación del espejo derecho del resonador debido a la característica espectralmente resuelta de los fotones.

La dispersión coherente depende en gran medida de la polarización de las pinzas ópticas. Los científicos analizaron tres opciones de dispersión para los siguientes ángulos de polarización lineal: θ = 0, θ = π / 4 y θ = π / 2.


Imagen No. 3

Primero, la polarización del láser de captura se estableció a lo largo del eje de la cavidad (es decir, θ = 0), minimizando la dispersión en el modo de cavidad vacía ( 3a ). Para una alineación perfecta de las polarizaciones, es necesario lograr la supresión completa de esta dispersión. Los científicos lograron lograr una supresión de 100 veces, limitada por la alineación entre los ejes de las pinzas y el resonador. Como resultado, se obtuvo una dispersión coherente, que produjo un enfriamiento del resonador insignificante a lo largo de los ejes y y z.

Cuando la polarización cambió en θ = π / 4, los científicos observaron un enfriamiento tridimensional (a lo largo de todos los ejes del movimiento térmico) mediante dispersión coherente ( 3b ). Este efecto se pierde en la transición a la polarización θ = π / 2. En este caso, se observó un enfriamiento bueno, pero aún débil, a lo largo de los ejes xyz ( 3s ). El eje y no mostró resultados similares, lo que se explica por una forma ligeramente elíptica de la polarización de la trampa.

Para conocer más detalladamente la teoría y la práctica de este experimento, le recomiendo que consulte el informe del grupo de investigación .

Epílogo

Resumiendo lo anterior, podemos resumir. Una nanopartícula en pinzas ópticas es, por así decirlo, un dispersor de luz en todas las direcciones. Si esta partícula se coloca dentro del resonador óptico, parte de esta luz se puede almacenar entre sus espejos. Por lo tanto, los fotones se dispersarán en la cavidad. Si usa luz cuya energía fotónica será menor de la necesaria, entonces la nanopartícula dará parte de la energía cinética para que los fotones puedan dispersarse dentro del resonador. Una disminución en la energía cinética dentro de la partícula conduce a su enfriamiento.

Uno de los autores de este estudio, Vladan Vuletich, ya realizó experimentos similares, pero luego se lograron buenos resultados solo con el uso de átomos y solo a lo largo de un eje de movimiento térmico.

Este método, según los investigadores, permitirá un estudio mucho más detallado de las propiedades cuánticas de varias nanopartículas, ampliando así nuestro conocimiento y comprensión general del mundo cuántico y sus leyes a veces extrañas y confusas.

Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana laboral, muchachos.

Gracias por quedarte con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver más materiales interesantes? Apóyenos haciendo un pedido o recomendándolo a sus amigos, un descuento del 30% para los usuarios de Habr en un análogo único de servidores de nivel de entrada que inventamos para usted: toda la verdad sobre VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps de $ 20 o cómo dividir el servidor? (las opciones están disponibles con RAID1 y RAID10, hasta 24 núcleos y hasta 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hasta el verano gratis al pagar por un período de seis meses, puede ordenar aquí .

Dell R730xd 2 veces más barato? ¡Solo tenemos 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV desde $ 249 en los Países Bajos y los Estados Unidos! Lea sobre Cómo construir un edificio de infraestructura. clase utilizando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 que cuestan 9,000 euros por un centavo?