Der Frühling ist in vollem Gange, der letzte Schnee ist fast überall geschmolzen und die lang erwartete Wärme herrschte. Hitzeliebende Menschen ziehen endlich ihre Strickpullover, Schals und Mützen aus, und Walrosse in Shorts und T-Shirts sind bereits in vollem Gange. Währenddessen herrscht in einem der Labors der Universität Wien die Erkältung eines Hundes, und Wissenschaftler freuen sich sehr darüber, da es äußerst schwierig ist, die Quanteneffekte von Nanopartikeln auf andere Weise zu untersuchen. Wenn ohne literarische Revolutionen, dann werden wir heute den praktischen Test einer neuen Methode zum Kühlen eines schwebenden Nanopartikels mittels einer Falle aus einem optischen Resonator kennenlernen. Warum und wie haben Wissenschaftler das Nanopartikel auf nahezu Null eingefroren, wie effektiv ist ihre Methode und was kann sie zur Untersuchung von Quanteneffekten bringen? Antworten auf diese und andere Fragen finden wir im Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.
Versuchsbasis
Die Lasererfassung von Partikeln und ihre Abkühlung ist eines der beliebtesten Werkzeuge in der Atomphysik, wie die Wissenschaftler selbst sagen, und es ist schwierig, ihnen zu widersprechen. Wenn wir alle Super-Duper-Komplex-Formulierungen weglassen, aus denen das Haar zu Berge steht, auch wenn es nicht zu existieren scheint, kann der gesamte Prozess wie folgt beschrieben werden: Die motorische Kühlung eines Atoms oder Moleküls ist möglich, da die Absorption von Doppler-verschobenen Laserphotonen vollständig zurückgewiesen wird und anschließend spontan Strahlung. Dieser Prozess hängt jedoch von der inneren Struktur des abgekühlten Partikels ab. Diese Abhängigkeit kann vermieden werden, indem die Bewegung des Partikels und das Feld des optischen Resonators kombiniert werden, was zu einem neuen Kühlschema führt.
Von großem Interesse in Forschungskreisen war die Methode der Resonatorkühlung mittels kohärenter Streuung des Feldes einer optischen Falle. In einer solchen Situation erzeugt ein kontrollierter Dipol eine Streuung, die mit dem Anregungsfeld kohärent ist. Die Streuung von Photonen in einem zunächst leeren optischen Resonator bietet ebenfalls eine neue Kühlmethode. Wenn Sie die korrekte Laserverstimmung des Anregungsfelds vom Resonator anwenden, können Sie den Streuprozess resonant verbessern, wodurch wiederum die Energie aus der Bewegung der Partikel eliminiert wird. Es ist die Entfernung dieser Energie, die abkühlt.
Bild Nr. 1: Zwei Möglichkeiten zur resonanten Kühlung eines schwebenden Partikels.Abbildung
1a zeigt, dass die Resonanzkühlung durch kohärente Streuung von optischen Fallen (manchmal „Pinzetten“) auf Dipolstrahlung basiert, die in einen leeren optischen Resonator emittiert wird.
Bild
1b - In der standardmäßigen dispersiven Optomechanik steuert ein externer Laser sowohl den Resonator als auch die Streuung. Eine optimale Kühlung ist mit dem größten Intensitätsgradienten des Hohlraummodus möglich.
In ihrer Arbeit demonstrierten Wissenschaftler die praktische Umsetzung der Resonanzkühlung eines schwebenden Nanopartikels mittels kohärenter Streuung. Gleichzeitig gelang es den Wissenschaftlern, diesen Prozess in drei Richtungen der thermischen Bewegung durchzuführen, während solche Experimente zuvor nur in einer Richtung und nur mit Atomen als Subjekten erfolgreich durchgeführt wurden.
Theoretische Basis
Wer schöne Formeln liebt, die Omas Spitze ähneln, wird jetzt ein paar davon betrachten.
Bild Nr. 2: Resonanzkühlungsschema mittels kohärenter Streuung.Eine optische Falle wird von einem Laser mit einer Frequenz
ω tω gebildet , der von einem Mikroskopobjektiv (
OM ) in eine Vakuumkammer (Vakuum) fokussiert wird. Das Nanopartikel schwebt im Zentrum des Fabry-Perot-Resonators. Ein schwacher Sperrstrahl wird aus dem Einfanglaser extrahiert und steuert den optischen Resonator
resonatorisch bei der Frequenz
ω 2 ,
wodurch es möglich wird,
ω tω und
ω 2 relativ zur Frequenz des optischen Resonators stabil zu fixieren. PBS im obigen Bild ist der Polarisationsstrahlteiler und
ω het ist die Überlagerungsdemodulationsfrequenz.
Betrachten Sie nun ein Nanopartikel, das von einer Laserpinzette mit den Hälsen des Strahls (W
x; y , der engste Teil des Laserstrahls) in einem leeren optischen Hohlraum mit einem
Modenvolumen V
cav (Strahlmündung w
0 ) und in Position x
0 entlang der Achse des Resonators (Bild Nr. 2) eingefangen wurde )
In diesem Fall kann die Wechselwirkung zwischen dem induzierten Dipol und dem internen (lokalen) elektrischen Feld als der folgende Hamilton-Operator beschrieben werden:
Bezeichnungen:
E
tw und E
cav sind die elektrischen Felder der Pinzetten- und Resonatormoden;
ω
tw - Pinzettenfrequenz;
ω
cav ist die Resonatorfrequenz;
⍺ ist die Polarisierbarkeit von Partikeln;
â † und â- Resonatorfeldoperatoren;
⍷
0 ist die elektrische Konstante;
c ist die Lichtgeschwindigkeit;
k ist die Wellenzahl;
zR - Rayleigh-Länge.
Wenn sich die Frequenz der Pinzette der Resonanz des optischen Resonators nähert, kann die Dichte des Resonatormodus das Strahlungsspektrum des Dipols ändern, was zu einer resonant verstärkten kohärenten Streuung führt.
Eine solche Streuung weist mehrere Unterscheidungsmerkmale auf. Erstens hängt die Wechselwirkungskraft aufgrund der Richtwirkung der gestreuten Dipolstrahlung stark von der Polarisation des Einfanglasers ab. Zweitens wird diese Wechselwirkung parallel zur Feldstärke sowohl der optischen Falle als auch des Resonators verstärkt. Drittens ist die Wechselwirkung im elektrischen Feld des Resonators linear.
Praktische Umsetzung
Wie aus dem Diagramm in Bild Nr. 2 ersichtlich ist, befinden sich das Mikroskopobjektiv und der Fabry-Perot-Resonator in der Vakuumkammer. Die Linse fokussiert einen 1064-nm-Laser auf den Hals von W
x 0,67 μm und W
y 0,77 μm und bildet eine optische Pinzette (Falle), die eine Quarznanosphäre mit einem Durchmesser von 71,5 nm einfängt. Die Falle ist in der Querebene elliptisch mit nicht entarteten mechanischen Frequenzen (Ωx, Ωy, Ωz) / 2Π = (190, 170, 38) kHz. Die Linse selbst ist in Schritten von 8 nm auf einem dreiachsigen Nanopositionierer montiert. Um die Verstimmung zwischen den Frequenzen des Lasers und des Resonators zu steuern, wird ein Teil des Lichts in der Frequenz ω
2 = ω
cav -FSR-Δ verschoben und pumpt den optischen Resonator schwach. Dies liefert ein Verriegelungssignal, das es der Laserquelle für optische Pinzetten ermöglicht, dem frei driftenden Fabry-Perot-Hohlraum zu folgen.
Der Versuchsaufbau verfügt über 4 Detektions- / Detektionskanäle (I-IV). Direkte Erfassung der Partikelbewegung in alle drei Richtungen (I) durch Streuung einer optischen Pinzette. Homogene Erfassung der Transmission des Fixierlasers in der Kavität (II), die eine optomechanische Erfassung der Position entlang der Achse der Kavität ermöglicht. Dies ist notwendig, um das Teilchen relativ zum Hohlraumfeld auszurichten, ohne auf kohärent gestreutes Licht angewiesen zu sein. Die Leistung von kohärent gestreuten Photonen im optischen Resonator (III) wurde ebenfalls gemessen, wobei gleichzeitig die Leckage des Feldes vom linken Spiegel des Resonators verfolgt wurde. Die vierte (IV) Detektion ist die Detektion von Strahlung vom rechten Spiegel des Resonators aufgrund der spektral aufgelösten Charakteristik der Photonen.
Die kohärente Streuung hängt stark von der Polarisation der optischen Pinzette ab. Die Wissenschaftler analysierten drei Streuoptionen für die folgenden linearen Polarisationswinkel: θ = 0, θ = π / 4 und θ = π / 2.
Bild Nr. 3Zunächst wurde die Polarisation des Einfanglasers entlang der Achse des Hohlraums (d. H. θ = 0) hergestellt, wodurch die Streuung im Modus des leeren Hohlraums (
3a ) minimiert wurde. Für eine perfekte Ausrichtung der Polarisationen ist es notwendig, eine vollständige Unterdrückung dieser Streuung zu erreichen. Den Wissenschaftlern gelang es, eine 100-fache Unterdrückung zu erreichen, die durch die Ausrichtung zwischen den Achsen der Pinzette und dem Resonator begrenzt war. Als Ergebnis wurde eine kohärente Streuung erhalten, die eine unbedeutende Resonatorkühlung entlang der y- und z-Achse erzeugte.
Wenn sich die Polarisation um θ = π / 4 änderte, beobachteten die Wissenschaftler eine dreidimensionale Abkühlung (entlang aller Achsen der thermischen Bewegung) mittels kohärenter Streuung (
3b ). Dieser Effekt geht beim Übergang zur Polarisation θ = π / 2 verloren. In diesem Fall wurde eine gute, aber immer noch schwache Abkühlung entlang der x- und z-Achse beobachtet (
3s ). Die y-Achse zeigte keine ähnlichen Ergebnisse, was durch eine leicht elliptische Form der Polarisation der Falle erklärt wird.
Für eine detailliertere Kenntnis der Theorie und Praxis dieses Experiments empfehle ich dringend, dass Sie sich den
Bericht der Forschungsgruppe ansehen.
Nachwort
Zusammenfassend können wir das oben Gesagte zusammenfassen. Ein Nanopartikel in einer optischen Pinzette ist sozusagen ein Lichtstreuer in alle Richtungen. Wenn dieses Teilchen im optischen Resonator platziert wird, kann ein Teil dieses Lichts zwischen seinen Spiegeln gespeichert werden. Somit streuen die Photonen in den Hohlraum. Wenn Sie Licht verwenden, dessen Photonenenergie geringer als nötig ist, gibt das Nanopartikel einen Teil der kinetischen Energie ab, so dass die Photonen im Resonator gestreut werden können. Eine Abnahme der kinetischen Energie im Partikel führt zu dessen Abkühlung.
Einer der Autoren dieser Studie, Vladan Vuletich, führte bereits ähnliche Experimente durch, aber dann wurden gute Ergebnisse nur mit der Verwendung von Atomen und nur entlang einer Achse der thermischen Bewegung erzielt.
Diese Methode wird nach Ansicht der Forscher eine viel detailliertere Untersuchung der Quanteneigenschaften verschiedener Nanopartikel ermöglichen und damit unser Wissen und unser allgemeines Verständnis der Quantenwelt und ihrer manchmal seltsamen und verwirrenden Gesetze erweitern.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs.
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