春天如火如荼，最后的雪几乎在所有地方都融化了，期待已久的温暖盛行。 热爱人们的人们终于开始脱下针织毛衫，围巾和帽子，而海象已经穿着短裤和T恤全力以赴。 同时，在维也纳大学的一个实验室里，狗患了感冒，科学家对此感到非常高兴，因为用另一种方式研究纳米粒子的量子效应非常困难。 如果没有文学上的革命，那么今天我们将熟悉通过光谐振器中的阱来冷却悬浮纳米粒子的新方法的实际测试。 科学家为什么以及如何将纳米粒子冻结到几乎绝对为零，他们的方法效果如何？它对量子效应的研究能带来什么？ 我们将在研究小组的报告中找到这些和其他问题的答案。 走吧
实验依据
正如科学家自己所说，激光捕获粒子及其冷却是原子物理学中非常流行的工具之一，很难不同意它们。 如果我们忽略了所有的超级复合物配方，即使在似乎根本不存在的情况下，它们也会从头顶直立，那么整个过程可以描述如下：由于多普勒频移的激光光子的吸收被完全排斥并且随后的自发吸收，原子或分子的电机冷却成为可能辐射。 但是该过程取决于冷却的颗粒的内部结构。 通过将粒子的运动和光学谐振器的场结合起来，可以避免这种依赖性，这将导致新的冷却方案。
在研究界非常感兴趣的是借助于光阱场的相干散射的谐振器冷却方法。 在这种情况下，受控偶极子会产生与激发场相干的散射。 最初为空的光谐振器中光子的散射也提供了一种新的冷却方法。 如果对共振器的激发场进行正确的激光失谐，则可以共振地增强散射过程，从而消除了粒子运动的能量。 正是这种能量的去除冷却了。
图片编号1：共振悬浮悬浮粒子的两种选择。图
1a显示，通过来自光阱（有时称为“镊子”）的相干散射的共振冷却是基于发射到空光学共振器中的偶极子辐射。
图像
1b-在标准色散光力学中，外部激光器既控制谐振器又控制散射。 以腔模的最大强度梯度可以实现最佳冷却。
在他们的工作中，科学家展示了通过相干散射对悬浮纳米粒子进行共振冷却的实际实现方式。 同时，科学家设法在三个热运动方向上执行此过程，而以前，此类实验仅在一个方向上成功进行，并且仅以原子为对象。
理论基础
谁喜欢像奶奶的花边一样美丽的配方，现在我们考虑其中的几个。
图2：借助相干散射的共振冷却方案。光阱由频率为
ωtω的激光形成，并由真空室（
vac ）内的显微镜物镜（
OM ）聚焦。 纳米粒子悬浮在法布里-珀罗共振器的中心。 从捕获激光器中提取出微弱的阻挡光束，并以频率
ω2谐振地控制光学谐振器，这
使得可以相对于光学谐振器的频率稳定地固定
ωtω和
ω2 。 上图中的PBS是偏振分束器，
ωhet是外差解调频率。
现在考虑一个被激光镊子捕获的纳米粒子，其光束的颈部（W
x； y ，激光束的最窄部分）位于一个空的光学腔内，其模式腔为V
cav （光束口w
0 ），并且沿腔轴位于位置x
0上（图像2）。 ）
在这种情况下，感应偶极子与内部（局部）电场之间的相互作用可以描述为以下哈密顿量：
名称：
E
tw和E
cav是镊子和谐振器模式的电场；
ωtw —镊子频率；
ωcav是谐振器频率；
⍺是粒子的极化率；
and和resonator谐振器现场操作员；
⍷0为电常数；
c是光速；
k是波数；
zR-瑞利长度。
当镊子的频率接近光学谐振器的谐振时，谐振器模式的密度会改变偶极子的辐射谱，从而导致谐振放大的相干散射。
这种散射具有几个区别特征。 首先，由于散射偶极子辐射的方向性，相互作用力非常依赖于捕获激光器的偏振。 其次，这种相互作用将平行于光阱和谐振器的场强而增强。 第三，谐振器电场中的相互作用是线性的。
实际实施
从图2中的图表可以看出，显微镜物镜和Fabry-Perot谐振器位于真空室内。 透镜将1064 nm激光聚焦在W
x 0.67μm和W
y 0.77μm的颈部上，形成一个光学镊子（陷阱），捕获直径71.5 nm的石英纳米球。 阱在横向平面上呈椭圆形，具有不退化的机械频率（Ωx，Ωy，Ωz）/2Π=（190，170，38）kHz。 透镜本身以8 nm的增量安装在三轴纳米定位器上。 为了控制激光器和谐振器的频率之间的失谐，一部分光在频率ω2 =ωcav-FSR-Δ中发生偏移，并弱泵浦光学谐振器。 这提供了一个锁存信号，允许光镊的激光源跟随自由漂移的Fabry-Perot腔。
实验装置具有4个检测/检测通道（I-IV）。 直接检测通过光镊散射获得的所有三个方向（I）上的粒子运动。 均质检测腔体（II）中固定激光的透射率，从而可以沿腔体的轴线进行光机械检测。 这是使粒子相对于腔场对齐的必要条件，而无需依赖于相干散射的光。 还测量了光学谐振器（III）中相干散射光子的功率，同时跟踪了来自谐振器左镜的场泄漏。 第四（IV）检测是由于光子的光谱分辨特性而检测到的来自谐振器右镜的辐射。
相干散射在很大程度上取决于光镊的偏振。 科学家针对以下线性极化角分析了三种散射选项：θ= 0，θ=π/ 4和θ=π/ 2。
图片编号3首先，沿着腔的轴线（即，θ＝ 0）建立捕获激光器的偏振，从而使空腔模式（
3a ）中的散射最小。 为了使偏振完美对准，必须完全抑制这种散射。 科学家设法实现了100倍的抑制，受到镊子和谐振器轴之间对齐的限制。 结果，获得了相干散射，其沿y轴和z轴产生了不明显的谐振器冷却。
当极化改变θ=π/ 4时，科学家观察到通过相干散射（
3b ）进行的三维（沿热运动的所有轴）冷却。 在过渡到极化θ=π/ 2时，这种效应消失了。 在这种情况下，观察到沿x和z轴的良好但仍然较弱的冷却（
3s ）。 y轴未显示出相似的结果，这可以通过陷阱的偏光形状略呈椭圆形来解释。
要更深入地了解该实验的理论和实践，强烈建议您查看
研究小组的
报告 。
结语
总结以上，我们可以总结一下。 可以说，光镊中的纳米粒子是各个方向的光散射体。 如果将此粒子放置在光谐振器内部，则该光的一部分可以存储在其反射镜之间。 因此，光子将散射到空腔中。 如果您使用光子能量将少于所需能量的光，则纳米粒子将提供部分动能，以便光子可以在谐振器内部散射。 颗粒内部动能的减少导致其冷却。
这项研究的一位作者Vladan Vuletich已经进行了类似的实验，但是只有通过使用原子并且仅沿一个热运动轴才能获得良好的结果。
根据研究人员的说法，这种方法将允许对各种纳米粒子的量子特性进行更详细的研究，从而扩展我们对量子世界及其有时奇怪而令人困惑的定律的知识和一般理解。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您工作愉快。
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