Musim semi dalam ayunan penuh, salju terakhir telah mencair hampir di mana-mana dan kehangatan yang ditunggu-tunggu memerintah. Orang-orang yang menyukai panas akhirnya mulai melepas sweater rajutan, syal dan topi mereka, dan walrus sudah mengenakan celana pendek dan kaus oblong. Sementara itu, hawa dingin anjing berkuasa di salah satu laboratorium Universitas Wina, dan para ilmuwan sangat senang akan hal ini, karena sangat sulit untuk mempelajari efek kuantum nanopartikel dengan cara yang berbeda. Jika tanpa revolusi sastra, maka hari ini kita akan berkenalan dengan uji praktis metode baru pendinginan nanopartikel melayang dengan cara menjebak dari resonator optik. Mengapa dan bagaimana para ilmuwan membekukan partikel nano menjadi hampir mutlak nol, seberapa efektif metode mereka, dan apa yang dapat dibawanya untuk mempelajari efek kuantum? Kami akan menemukan jawaban untuk ini dan pertanyaan lain dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.
Basis percobaan
Laser menangkap partikel dan pendinginannya adalah salah satu alat yang sangat populer dalam fisika atom, seperti yang dikatakan para ilmuwan sendiri, dan sulit untuk tidak setuju dengan mereka. Jika kita menghilangkan semua formulasi rumit yang super-duper dari mana rambut akan berdiri di ujung bahkan di tempat itu tampaknya tidak ada, maka seluruh proses dapat dijelaskan sebagai berikut: pendinginan motor dari atom atau molekul adalah mungkin karena penolakan penuh dari penyerapan foton laser bergeser Doppler dan spontan berikutnya. radiasi. Tetapi proses ini tergantung pada struktur internal partikel yang didinginkan. Ketergantungan ini dapat dihindari dengan menggabungkan gerakan partikel dan bidang resonator optik, yang akan menghasilkan skema pendinginan baru.
Yang sangat menarik di kalangan penelitian adalah metode pendinginan resonator dengan cara hamburan koheren bidang perangkap optik. Dalam situasi seperti itu, dipol yang terkontrol menghasilkan hamburan yang koheren dengan bidang eksitasi. Hamburan foton dalam resonator optik yang awalnya kosong juga menyediakan metode pendinginan baru. Jika Anda menerapkan laser detuning yang benar dari bidang eksitasi dari resonator, maka Anda dapat secara resonansi meningkatkan proses hamburan, yang pada gilirannya menghilangkan energi dari pergerakan partikel. Penghapusan energi inilah yang mendinginkan.
Gambar No. 1: dua opsi untuk pendinginan resonan dari partikel melayang.Gambar
1a menunjukkan bahwa pendinginan resonansi melalui hamburan koheren dari perangkap optik (kadang-kadang "pinset") didasarkan pada radiasi dipol yang dipancarkan ke resonator optik kosong.
Gambar
1b - dalam optomekanika dispersif standar, laser eksternal mengontrol resonator dan hamburan. Pendinginan optimal dimungkinkan dengan gradien intensitas terbesar dari mode rongga.
Dalam karya mereka, para ilmuwan mendemonstrasikan implementasi praktis pendinginan resonansi dari nanopartikel melayang dengan cara hamburan yang koheren. Pada saat yang sama, para ilmuwan berhasil melakukan proses ini dalam tiga arah gerakan termal, sedangkan percobaan sebelumnya berhasil dilakukan hanya dalam satu arah dan hanya dengan atom sebagai subjek.
Basis teoretis
Yang menyukai formula indah yang menyerupai renda nenek, sekarang kami akan mempertimbangkan beberapa di antaranya.
Gambar No. 2: skema pendinginan resonan dengan cara hamburan yang koheren.Perangkap optik dibentuk oleh laser dengan frekuensi
ω tω , yang difokuskan oleh tujuan mikroskop (
OM ) di dalam ruang vakum (vakum). Nanopartikel melayang di tengah resonator Fabry - Perot. Balok pemblokiran yang lemah diekstraksi dari laser penangkap dan secara resonator mengontrol resonator optik pada frekuensi
ω 2 , yang memungkinkan untuk memperbaiki secara stabil
ω tω dan
ω 2 relatif terhadap frekuensi resonator optik. PBS pada gambar di atas adalah splitter beam polarisasi, dan
ω het adalah frekuensi demodulasi heterodyne.
Sekarang perhatikan nanopartikel yang ditangkap oleh pinset laser dengan leher balok (W
x; y , bagian tersempit dari sinar laser) di dalam rongga optik kosong dengan mode volume V
cav (mulut balok w
0 ) dan pada posisi x
0 sepanjang sumbu resonator (gambar No. 2 )
Dalam hal ini, interaksi antara dipol yang diinduksi dan medan listrik internal (lokal) dapat digambarkan sebagai Hamiltonian berikut:
Penunjukan:
E
tw dan E
cav adalah medan listrik dari pinset dan mode resonator;
ω frekuensi tweezers;
ω
cav adalah frekuensi resonator;
⍺ adalah polarizabilitas partikel;
â † dan â- operator bidang resonator;
⍷
0 adalah konstanta listrik;
c adalah kecepatan cahaya;
k adalah nomor gelombang;
zR - Panjang Rayleigh.
Ketika frekuensi pinset mendekati resonansi resonator optik, densitas mode resonator dapat mengubah spektrum radiasi dipol, yang mengarah ke hamburan koheren yang diamplifikasi secara diperkuat.
Hamburan seperti itu memiliki beberapa fitur yang membedakan. Pertama, karena directivity dari radiasi dipol yang tersebar, gaya interaksi sangat tergantung pada polarisasi laser yang menjebak. Kedua, interaksi ini akan ditingkatkan sejajar dengan kekuatan medan dari perangkap optik dan resonator. Ketiga, interaksi di bidang listrik resonator adalah linear.
Implementasi praktis
Seperti yang dapat kita lihat dari diagram pada gambar No. 2, tujuan mikroskop dan resonator Fabry - Perot terletak di dalam ruang vakum. Lensa memfokuskan laser 1064 nm pada leher W
x 0,67 μm dan W
y 0,77 μm, membentuk pinset optik (perangkap) yang menangkap nanosfer kuarsa dengan diameter 71,5 nm. Perangkap elips di bidang transversal dengan frekuensi mekanik non-degenerasi (Ωx, Ωy, Ωz) / 2Π = (190, 170, 38) kHz. Lensa itu sendiri dipasang pada nanopositioner tiga sumbu dengan penambahan 8 nm. Untuk mengontrol detuning antara frekuensi laser dan resonator, bagian dari cahaya dialihkan dalam frekuensi ω
2 = ω
cav -FSR-Δ dan memompa resonator optik dengan lemah. Ini memberikan sinyal penguncian yang memungkinkan sumber laser untuk pinset optik mengikuti rongga Fabry-Perot yang melayang bebas.
Pengaturan eksperimental memiliki 4 saluran deteksi / deteksi (I-IV). Langsung mendeteksi gerakan partikel di ketiga arah (I) yang diperoleh dengan hamburan pinset optik. Deteksi homogen transmisi laser fixing di rongga (II), yang memungkinkan deteksi optomekanis dari posisi sepanjang sumbu rongga. Hal ini diperlukan untuk menyelaraskan partikel relatif dengan bidang rongga tanpa harus bergantung pada cahaya yang tersebar secara koheren. Kekuatan foton yang tersebar secara koheren dalam resonator optik (III) juga diukur, secara bersamaan melacak kebocoran medan dari cermin kiri resonator. Deteksi keempat (IV) adalah deteksi radiasi dari cermin kanan resonator karena karakteristik foton yang diselesaikan secara spektral.
Hamburan koheren sangat tergantung pada polarisasi dari pinset optik. Para ilmuwan menganalisis tiga opsi hamburan untuk sudut polarisasi linear berikut: θ = 0, θ = π / 4 dan θ = π / 2.
Gambar No. 3Pertama, polarisasi laser penjebak didirikan di sepanjang sumbu rongga (mis., Θ = 0), meminimalkan hamburan dalam mode rongga kosong (
3a ). Untuk penyelarasan polarisasi yang sempurna, perlu untuk mencapai penindasan lengkap dari hamburan ini. Ilmuwan berhasil mencapai penindasan 100 kali lipat, dibatasi oleh penyelarasan antara sumbu dari pinset dan resonator. Hasilnya, hamburan koheren diperoleh, yang menghasilkan pendinginan resonator yang tidak signifikan di sepanjang sumbu y dan z.
Ketika polarisasi berubah dengan θ = π / 4, para ilmuwan mengamati pendinginan tiga dimensi (sepanjang semua sumbu gerakan termal) dengan cara hamburan yang koheren (
3b ). Efek ini hilang pada transisi ke polarisasi θ = π / 2. Dalam hal ini, pendinginan yang baik, tetapi masih lemah, di sepanjang sumbu x dan z diamati (
3s ). Sumbu y tidak menunjukkan hasil yang serupa, yang dijelaskan oleh polarisasi bentuk trap yang sedikit elips.
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan teori dan praktik percobaan ini, saya sangat menyarankan Anda melihat
laporan kelompok riset .
Epilog
Meringkas hal di atas, kita bisa meringkasnya. Nanopartikel pada pinset optik, dapat dikatakan, adalah pencar cahaya ke segala arah. Jika partikel ini ditempatkan di dalam resonator optik, maka sebagian dari cahaya ini dapat disimpan di antara cerminnya. Dengan demikian, foton akan tersebar ke dalam rongga. Jika Anda menggunakan cahaya yang energi fotonnya kurang dari yang diperlukan, maka nanopartikel akan memberikan sebagian dari energi kinetik sehingga foton dapat tersebar di dalam resonator. Penurunan energi kinetik di dalam partikel menyebabkan pendinginannya.
Salah satu penulis penelitian ini, Vladan Vuletich, sudah melakukan eksperimen serupa, tetapi kemudian hasil yang baik dicapai hanya dengan penggunaan atom dan hanya sepanjang satu sumbu gerakan termal.
Metode ini, menurut para peneliti, akan memungkinkan studi yang jauh lebih rinci tentang sifat kuantum dari berbagai nanopartikel, sehingga memperluas pengetahuan dan pemahaman umum kita tentang dunia kuantum dan hukum-hukumnya yang terkadang aneh dan membingungkan.
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan.
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di
sini .
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?