Refroidissement d'une nanoparticule en lévitation au moyen d'un résonateur optique

Le printemps bat son plein, la dernière neige a fondu presque partout et la chaleur tant attendue a régné. Les amoureux de la chaleur commencent enfin à enlever leurs pulls, écharpes et chapeaux en tricot, et les morses battent déjà leur plein en shorts et t-shirts. Pendant ce temps, le froid d'un chien règne dans l'un des laboratoires de l'Université de Vienne, et les scientifiques en sont extrêmement heureux, car il est extrêmement difficile d'étudier les effets quantiques des nanoparticules d'une manière différente. Si, sans révolutions littéraires, nous nous familiariserons aujourd'hui avec le test pratique d'une nouvelle méthode de refroidissement d'une nanoparticule en lévitation au moyen d'un piège d'un résonateur optique. Pourquoi et comment les scientifiques ont-ils gelé la nanoparticule au zéro presque absolu, quelle est l'efficacité de leur méthode et que peut-elle apporter à l'étude des effets quantiques? Nous trouverons des réponses à ces questions et à d'autres dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'expérimentation

La capture laser des particules et leur refroidissement est l'un des outils très populaires en physique atomique, comme le disent les scientifiques eux-mêmes, et il est difficile d'être en désaccord avec eux. Si nous omettons toutes les formulations complexes super-duper à partir desquelles les cheveux resteront debout même là où ils ne semblent pas exister, alors tout le processus peut être décrit comme suit: le refroidissement moteur d'un atome ou d'une molécule est possible en raison du rejet complet de l'absorption des photons laser à décalage Doppler et des spontanés ultérieurs rayonnement. Mais ce processus dépend de la structure interne de la particule refroidie. Cette dépendance peut être évitée en combinant le mouvement de la particule et le champ du résonateur optique, ce qui entraînera un nouveau schéma de refroidissement.

La méthode de refroidissement des résonateurs par diffusion cohérente du champ d'un piège optique était d'un grand intérêt dans les cercles de recherche. Dans une telle situation, un dipôle contrôlé produit une diffusion cohérente avec le champ d'excitation. La diffusion des photons dans un résonateur optique initialement vide fournit également une nouvelle méthode de refroidissement. Si vous appliquez le désaccordage laser correct du champ d'excitation du résonateur, vous pouvez améliorer de manière résonnante le processus de diffusion, qui à son tour élimine l'énergie du mouvement des particules. C'est l'élimination de cette énergie qui refroidit.


Image n ° 1: deux options pour le refroidissement résonnant d'une particule en lévitation.

La figure 1a montre que le refroidissement résonnant par diffusion cohérente à partir de pièges optiques (parfois des «pincettes») est basé sur le rayonnement dipolaire émis dans un résonateur optique vide.

Image 1b - en optomécanique dispersive standard, un laser externe contrôle à la fois le résonateur et la diffusion. Un refroidissement optimal est possible avec le plus grand gradient d'intensité du mode cavité.

Dans leurs travaux, les scientifiques ont démontré la mise en œuvre pratique du refroidissement résonnant d'une nanoparticule en lévitation au moyen d'une diffusion cohérente. Dans le même temps, les scientifiques ont réussi à mener ce processus dans trois directions du mouvement thermique, alors qu'auparavant de telles expériences étaient menées avec succès dans une seule direction et uniquement avec des atomes comme sujets.

Base théorique

Qui aime les belles formules qui ressemblent à la dentelle de grand-mère, nous allons maintenant en considérer quelques-unes.


Image n ° 2: schéma de refroidissement résonnant par diffusion cohérente.

Un piège optique est formé par un laser de fréquence ω _tω , qui est focalisé par un objectif de microscope ( OM ) dans une chambre à vide ( vac ). La nanoparticule lévite au centre du résonateur Fabry - Perot. Un faible faisceau de blocage est extrait du laser de piégeage et commande par résonance le résonateur optique à la fréquence ω ₂ , ce _qui permet de fixer de manière stable ω _tω et ω _{2 par} rapport à la fréquence du résonateur optique. Le PBS dans l'image ci-dessus est le séparateur de faisceau de polarisation, et ω _het est la fréquence de démodulation hétérodyne.

Considérons maintenant une nanoparticule capturée par des pincettes laser avec le col du faisceau (W _{x; y} , la partie la plus étroite du faisceau laser) à l'intérieur d'une cavité optique vide avec un volume de mode V _cav (faisceau bouche w ₀ ) et en position x _{0 le} long de l'axe du résonateur (image n ° 2 )

Dans ce cas, l'interaction entre le dipôle induit et le champ électrique interne (local) peut être décrite comme l'hamiltonien suivant:



Désignations:

E _tw et E _cav sont les champs électriques des brucelles et des modes résonateurs;
frequency fréquence de _tw - tweezers;
ω _cav est la fréquence du résonateur;
⍺ est la polarisabilité des particules;
opérateurs de champ â † et â résonateur;
⍷ ₀ est la constante électrique;
c est la vitesse de la lumière;
k est le nombre d'onde;
zR - Longueur Rayleigh.

Lorsque la fréquence des pinces approche de la résonance du résonateur optique, la densité du mode résonateur peut modifier le spectre de rayonnement du dipôle, ce qui conduit à une diffusion cohérente amplifiée de manière résonnante.

Cette diffusion présente plusieurs caractéristiques distinctives. Tout d'abord, en raison de la directivité du rayonnement dipolaire diffusé, la force d'interaction est très dépendante de la polarisation du laser de piégeage. Deuxièmement, cette interaction sera renforcée parallèlement à l'intensité du champ du piège optique et du résonateur. Troisièmement, l'interaction dans le champ électrique du résonateur est linéaire.

Mise en œuvre pratique

Comme nous pouvons le voir sur le schéma de l'image n ° 2, l'objectif du microscope et le résonateur Fabry-Perot sont situés à l'intérieur de la chambre à vide. La lentille focalise un laser à 1064 nm sur le col de W _x 0,67 μm et W _y 0,77 μm, formant une pince optique (piège) qui capture une nanosphère de quartz de 71,5 nm de diamètre. Le piège est elliptique dans le plan transversal avec des fréquences mécaniques non dégénérées (Ωx, Ωy, Ωz) / 2Π = (190, 170, 38) kHz. La lentille elle-même est montée sur un nano-positionneur à trois axes par incréments de 8 nm. Pour contrôler le désaccord entre les fréquences du laser et du résonateur, une partie de la lumière est décalée en fréquence ω ₂ = ω _cav -FSR-Δ et pompe faiblement le résonateur optique. Cela fournit un signal de verrouillage qui permet à la source laser pour les pincettes optiques de suivre la cavité Fabry-Perot à dérive libre.

La configuration expérimentale dispose de 4 canaux de détection / détection (I-IV). Détection directe du mouvement des particules dans les trois directions (I) obtenu par diffusion de pinces optiques. Détection homogène de transmission du laser de fixation dans la cavité (II), ce qui permet une détection optomécanique de la position le long de l'axe de la cavité. Cela est nécessaire pour aligner la particule par rapport au champ de la cavité sans avoir besoin de s'appuyer sur une lumière diffusée de manière cohérente. La puissance des photons diffusés de manière cohérente dans le résonateur optique (III) a également été mesurée, en suivant simultanément la fuite du champ depuis le miroir gauche du résonateur. La quatrième détection (IV) est la détection du rayonnement du miroir droit du résonateur en raison de la caractéristique spectralement résolue des photons.

La diffusion cohérente dépend fortement de la polarisation des pinces optiques. Les scientifiques ont analysé trois options de diffusion pour les angles de polarisation linéaire suivants: θ = 0, θ = π / 4 et θ = π / 2.


Image n ° 3

Premièrement, la polarisation du laser de piégeage a été établie le long de l'axe de la cavité (c'est-à-dire, θ = 0), minimisant la diffusion dans le mode de cavité vide ( 3a ). Pour un alignement parfait des polarisations, il est nécessaire de parvenir à une suppression complète de cette diffusion. Les scientifiques ont réussi à obtenir une suppression de 100 fois, limitée par l'alignement entre les axes de la pince à épiler et le résonateur. En conséquence, une diffusion cohérente a été obtenue, qui a produit un refroidissement insonifiant du résonateur le long des axes y et z.

Lorsque la polarisation a changé de θ = π / 4, les scientifiques ont observé un refroidissement en trois dimensions (le long de tous les axes du mouvement thermique) au moyen d'une diffusion cohérente ( 3b ). Cet effet est perdu lors du passage à la polarisation θ = π / 2. Dans ce cas, un bon refroidissement, mais toujours faible, a été observé le long des axes x et z ( 3s ). L'axe y n'a pas montré de résultats similaires, ce qui s'explique par une forme légèrement elliptique de la polarisation du piège.

Pour une connaissance plus détaillée de la théorie et de la pratique de cette expérience, je vous recommande fortement de consulter le rapport du groupe de recherche .

Épilogue

Résumant ce qui précède, nous pouvons résumer. Une nanoparticule dans une pince optique est, pour ainsi dire, un diffuseur de lumière dans toutes les directions. Si cette particule est placée à l'intérieur du résonateur optique, une partie de cette lumière peut être stockée entre ses miroirs. Ainsi, les photons se disperseront dans la cavité. Si vous utilisez une lumière dont l'énergie photonique sera inférieure à celle nécessaire, la nanoparticule fournira une partie de l'énergie cinétique afin que les photons puissent être dispersés à l'intérieur du résonateur. Une diminution de l'énergie cinétique à l'intérieur de la particule entraîne son refroidissement.

L'un des auteurs de cette étude, Vladan Vuletich, a déjà mené des expériences similaires, mais de bons résultats n'ont été obtenus qu'avec l'utilisation d'atomes et uniquement le long d'un axe de mouvement thermique.

Cette méthode, selon les chercheurs, permettra une étude beaucoup plus détaillée des propriétés quantiques de diverses nanoparticules, élargissant ainsi nos connaissances et notre compréhension générale du monde quantique et de ses lois parfois étranges et déroutantes.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars.

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