Arrefecimento de uma nanopartícula levitante por meio de um ressonador óptico

A primavera está em pleno andamento, a última neve derreteu em quase todos os lugares e o calor tão esperado reinou. As pessoas apaixonadas pelo calor estão finalmente começando a tirar suas blusas de malha, cachecóis e chapéus, e as morsas já estão em pleno andamento em shorts e camisetas. Enquanto isso, o frio de um cão reina em um dos laboratórios da Universidade de Viena, e os cientistas estão extremamente felizes por isso, porque é extremamente difícil estudar os efeitos quânticos das nanopartículas de uma maneira diferente. Se sem revoluções literárias, hoje nos familiarizaremos com o teste prático de um novo método de resfriamento de uma nanopartícula levitante por meio de uma armadilha de um ressonador óptico. Por que e como os cientistas congelaram uma nanopartícula para zero quase absoluto, qual a eficácia de seu método e o que ele pode trazer para o estudo dos efeitos quânticos? Encontraremos respostas para essas e outras perguntas no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base da experiência

A captura a laser de partículas e seu resfriamento é uma das ferramentas mais populares da física atômica, como dizem os próprios cientistas, e é difícil discordar delas. Se omitirmos todas as formulações do complexo super-duper a partir das quais o cabelo fica arrepiado, mesmo onde parece não existir, todo o processo pode ser descrito da seguinte maneira: o resfriamento motor de um átomo ou molécula é possível devido à rejeição completa da absorção de fótons a laser com Doppler e subseqüentes espontâneos radiação. Mas esse processo depende da estrutura interna da partícula resfriada. Essa dependência pode ser evitada combinando o movimento da partícula e o campo do ressonador óptico, o que resultará em um novo esquema de resfriamento.

De grande interesse nos círculos de pesquisa foi o método de resfriamento por ressonador por meio da dispersão coerente do campo de uma armadilha óptica. Em tal situação, um dipolo controlado produz espalhamento coerente com o campo de excitação. A dispersão de fótons em um ressonador óptico inicialmente vazio também fornece um novo método de resfriamento. Se você aplicar a correção correta do laser do campo de excitação do ressonador, poderá aprimorar o processo de espalhamento por ressonância, o que, por sua vez, elimina a energia do movimento das partículas. É a remoção dessa energia que está esfriando.


Imagem nº 1: duas opções para resfriamento ressonante de uma partícula levitante.

A Figura 1a mostra que o resonante de resfriamento através da dispersão coerente das armadilhas ópticas (às vezes “pinças”) é baseado na radiação dipolo emitida em um ressonador óptico vazio.

Imagem 1b - na optomecânica dispersiva padrão, um laser externo controla o ressonador e a dispersão. O resfriamento ideal é possível com o maior gradiente de intensidade do modo de cavidade.

Em seu trabalho, os cientistas demonstraram a implementação prática do resfriamento ressonante de uma nanopartícula levitante por meio de espalhamento coerente. Ao mesmo tempo, os cientistas conseguiram realizar esse processo em três direções do movimento térmico, enquanto anteriormente esses experimentos eram realizados com sucesso em apenas uma direção e apenas com átomos como sujeitos.

Base teórica

Quem ama belas fórmulas que lembram as rendas da avó, agora vamos considerar algumas delas.


Imagem No. 2: esquema de resfriamento ressonante por meio de espalhamento coerente.

Uma armadilha óptica é formada por um laser com uma frequência ω _tω , que é focada por uma objetiva de microscópio ( OM ) em uma câmara de vácuo ( vac ). A nanopartícula levita no centro do ressonador Fabry - Perot. Um feixe de bloqueio fraco é extraído do laser de captura e controla ressonadoramente o ressonador óptico na frequência ω2 , o que _torna possível fixar de forma estável _ωtω e _{ω2 em} relação à frequência do ressonador óptico. PBS na imagem acima é o divisor de feixe de polarização e ω _het é a frequência de desmodulação heteródina.

Agora considere uma nanopartícula capturada por pinças a laser com os pescoços do feixe (W _{x; y} , a parte mais estreita do feixe laser) dentro de uma cavidade óptica vazia com um volume de modo V _cav (boca do feixe w ₀ ) e na posição x ₀ ao longo do eixo do ressonador (imagem nº 2 )

Nesse caso, a interação entre o dipolo induzido e o campo elétrico interno (local) pode ser descrita como o seguinte hamiltoniano:



Designações:

E _tw e E _cav são os campos elétricos dos modos de pinça e ressonador;
ω _tw - frequência de pinças;
ω _cav é a frequência do ressonador;
⍺ é a polarizabilidade das partículas;
operadores de campo † e â ressonator;
₀ é a constante elétrica;
c é a velocidade da luz;
k é o número da onda;
zR - comprimento de Rayleigh.

Quando a frequência das pinças se aproxima da ressonância do ressonador óptico, a densidade do modo de ressonador pode alterar o espectro de radiação do dipolo, o que leva a uma dispersão coerente amplificada por ressonância.

Essa dispersão tem várias características distintivas. Em primeiro lugar, devido à diretividade da radiação dipolo dispersa, a força de interação depende muito da polarização do laser de captura. Em segundo lugar, essa interação será aprimorada paralelamente à intensidade do campo da armadilha óptica e do ressonador. Em terceiro lugar, a interação no campo elétrico do ressonador é linear.

Implementação prática

Como podemos ver no diagrama da imagem nº 2, a objetiva do microscópio e o ressonador Fabry-Perot estão localizados dentro da câmara de vácuo. A lente focaliza um laser de 1064 nm no pescoço de W _x 0,67 μm e W 0,77 μm, formando uma pinça óptica (armadilha) que captura uma nanosfera de quartzo com 71,5 nm de diâmetro. A armadilha é elíptica no plano transversal com frequências mecânicas não degeneradas (Ωx, Ωy, Ωz) / 2Π = (190, 170, 38) kHz. A lente em si é montada em um nanoposicionador de três eixos em incrementos de 8 nm. Para controlar a sintonia entre as frequências do laser e o ressonador, parte da luz é deslocada na frequência ω ₂ = ω _cav -FSR-Δ e bombeia fracamente o ressonador óptico. Isso fornece um sinal de travamento que permite que a fonte de laser das pinças ópticas siga a cavidade de Fabry-Perot à deriva livre.

A configuração experimental possui 4 canais de detecção / detecção (I-IV). Detecção direta do movimento das partículas nas três direções (I) obtidas pela dispersão das pinças ópticas. Detecção homogênea da transmissão do laser de fixação na cavidade (II), que permite a detecção optomecânica da posição ao longo do eixo da cavidade. Isso é necessário para alinhar a partícula em relação ao campo da cavidade sem a necessidade de depender de luz dispersa coerentemente. Também foi medida a potência dos fótons dispersos coerentemente no ressonador óptico (III), rastreando simultaneamente o vazamento do campo a partir do espelho esquerdo do ressonador. A quarta (IV) detecção é a detecção de radiação do espelho direito do ressonador devido à característica espectralmente resolvida dos fótons.

A dispersão coerente depende fortemente da polarização das pinças ópticas. Os cientistas analisaram três opções de espalhamento para os seguintes ângulos de polarização linear: θ = 0, θ = π / 4 e θ = π / 2.


Imagem No. 3

Primeiro, a polarização do laser de captura foi estabelecida ao longo do eixo da cavidade (isto é, θ = 0), minimizando a dispersão no modo de cavidade vazia ( 3a ). Para um alinhamento perfeito das polarizações, é necessário obter uma supressão completa dessa dispersão. Os cientistas conseguiram alcançar uma supressão de 100 vezes, limitada pelo alinhamento entre os eixos das pinças e o ressonador. Como resultado, foi obtida a dispersão coerente, que produziu um resonador insignificante resfriado ao longo dos eixos y e z.

Quando a polarização mudou por θ = π / 4, os cientistas observaram o resfriamento tridimensional (em todos os eixos de movimento térmico) por meio de espalhamento coerente ( 3b ). Este efeito é perdido na transição para a polarização θ = π / 2. Nesse caso, foi observado um resfriamento bom, mas ainda fraco, ao longo dos eixos x e z ( 3s ). O eixo y não apresentou resultados semelhantes, o que é explicado por uma forma levemente elíptica da polarização da armadilha.

Para um conhecimento mais detalhado da teoria e prática desse experimento, recomendo fortemente que você analise o relatório do grupo de pesquisa .

Epílogo

Resumindo o exposto, podemos resumir. Uma nanopartícula em pinças ópticas é, por assim dizer, um espalhador de luz em todas as direções. Se essa partícula for colocada dentro do ressonador óptico, parte dessa luz poderá ser armazenada entre seus espelhos. Assim, os fótons se espalharão pela cavidade. Se você usar luz cuja energia de fóton será menor que o necessário, a nanopartícula fornecerá parte da energia cinética para que os fótons possam se espalhar dentro do ressonador. Uma diminuição na energia cinética dentro da partícula leva ao seu resfriamento.

Um dos autores deste estudo, Vladan Vuletich, já realizou experiências semelhantes, mas bons resultados foram alcançados apenas com o uso de átomos e apenas ao longo de um eixo de movimento térmico.

Este método, segundo os pesquisadores, permitirá um estudo muito mais detalhado das propriedades quânticas de várias nanopartículas, expandindo assim nosso conhecimento e compreensão geral do mundo quântico e suas leis, às vezes estranhas e confusas.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal.

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