پژوهش‌گران با استفاده از خنک‌سازی کاواکیِ سه‌بعدی توانسته‌اند به کمترین رکورد دمایی در مورد نانوذرات شناور دست یابند؛ این نتیجه بواسطه‌ی نور پراکنده شده از نانوذرات، حاصل شده است.

آرتور آشکین (Arthur Ashkin) پژوهش‌گر پیشرو در زمینه‌ی دستکاری‌های اپتیکی نانوذرات است که با توسعه‌ی انبرک‌های نوری جایزه‌ی نوبل سال ۲۰۱۸ فیزیک را از آن خود کرد. توانایی کنترل ذرات کوچک با انبرک‌ها و دیگر ابزارهای اپتیکی، پیشرفت‌های بسیاری را در زیست‌شناسی، شیمی فیزیک و فیزیک اتمی، مولکولی و اپتیکی بوجود آورده است. به عنوان بخشی از این روند پژوهش‌گران راه‌هایی را برای «خنک‌سازی» نانوذراتِ بدام افتاده با کاهش دادن دامنه‌ی حرکت‌شان در درون تله توسعه داده‌اند. با این وجود برای رسیدن به حد کوانتومی (وقتی حرکت غالباً در نتیجه‌ی افت‌وخیزهای کوانتومی است) پژوهش‌های زیادتری باید انجام شود. یک روش جدید (که توسط دو تیم مستقل توسعه یافته) این عمل خنک‌سازی را با استفاده از پراکندگی نور از یک نانوذره که در یک کاواک اپتیکی نگه داشته شده، گام دیگری جلو برده‌اند [1,2]. هردوی این آزمایش‌ها خنک‌سازی کاواک سه‌بعدی را بدست داده‌اند درحالی‌که آزمایش اول بر روی یک بعد متمرکز بوده است [3-5]. در یکی از آزمایش‌ها حرکت مرکز جرم نانوذره از دمای اتاق تا یک دمای موثر کمینه در حدود چند میلی‌کلوین پایین برده شده است [2] که بسیار کمتر از نتایجی است که خنک‌سازی کاواکی [3-5] بدست داده‌اند. با توسعه‌ بیشتر این روش‌ها، کاهش حرکت یک نانوذره‌ی معلق تا حالت پایه‌ی کوانتوم-مکانیکی‌اش امیدوارکننده بنظر می‌رسد [6].

یک میکروذره یا نانوذره در خلاء بخوبی از محیط حرارتی قابل جداسازی است شرایطی که برای انجام اندازه‌گیری‌های دقیق [7] عالی است. برای مثال در سال‌های اخیر از ذرات دی‌الکتریک معلق برای مطالعه‌ی ترمودینامیک غیرتعادلی، آشکارسازی نیروهای کوچک و جست‌وجوی ذرات میلی‌باردار (Millicharged) و دیگر پدیده‌های مبتنی بر فرضیه استفاده شده است. این سیستم‌ها همچنین برای مطالعه‌ی مکانیک کوانتوم بزرگ‌مقیاس استفاده شده‌اند اما این کار مستلزم سردسازی آن‌ها تا حد کوانتومی‌اشان است که برای پتانسیل‌های بدام اندازنده معمولی، در حد میکروکلوین است. دو روش اصلی برای خنک‌سازی حرکت یک ذره‌ی دی‌الکتریک معلق، خنک‌سازی بازخوردی [8] و خنک‌سازی کاواکی [3-5,9,10] است. محققان در خنک‌سازی بازخوردی بطور پیوسته بر حرکت ذره‌ی دی‌الکتریک با استفاده از آشکارسازهای نوری نظارت می‌کنند و از این داده‌ها برای دستکاری بسامدهای تله‌ای یا نیروهای اعمالی به نانوذره که موجب کندشدن حرکت آن می‌شود، استفاده می‌کنند. خنک‌سازی بازخوردی قادر بوده است تا حرکت نانوذره را تا کمتر از ۱ میلی‌کلوین کاهش دهد اما اکنون به دلیل آشکارسازی ناکارآمدِ حرکتِ ذره، محدودیت دارد. در خنک‌سازی کاواکی حرکت یه نانوذره بسامد فوتون‌های کاواک را تحت تاثیر قرار می‌دهد. زیرا این فوتون‌ها در کاواک طول‌عمر بالایی داشته و می‌توانند حرکت یک نانوذره را در زمان‌های دیگر تحت تاثیر قرار دهند که یک بازخورد اتوماتیک را فراهم می‌کند.

خنک‌سازی کاواکیِ یک نانوذره‌ی معلق با راندن کاواک با یک لیزر قرمزرنگ توسط چندین آزمایش به اثبات رسیده است؛ لیزری که بسامد آن اندکی کمتر از بسامد تشدید یک کاواک اپتیکی است [3-5]. این سیستم به اندرکنش‌های مابین فوتون‌ها و نانوذره یاری رسانده و انرژی فوتون‌ها را افزایش می‌دهد. درنتیجه باعث کاهش انرژی نانوذرات در یک بعد و در طول محور کاواک می‌شود. در یکی از اولینِ این آزمایش‌ها مدهای کاواک اپتیکی، هم برای بدام انداختن و هم برای خنک‌سازی نانوذره استفاده شده‌اند [3] و معلوم شده است که در خلاء ناپایداراند. بعدها یک تله‌ی یونی و یک کاواک اپتیکی برای دست‌یافتن به تله‌اندازیِ پایدار (توسط میدان‌های الکتریکی تله‌ی یونی) و خنک‌سازی (توسط لیزر قرمزرنگ) باهم ترکیب شده‌اند [5]. این آزمایش‌ها بواسطه‌ی جفت‌شدگی مابین حرکت یک نانوذره و مد کاواک، موفق نبوده‌اند. این جفت‌شدگی ضعیف را می‌توان با رانش مد کاواک توسط نور لیزر قوی جبران کرد اما این راه‌حل مشکل جدیدی را موسوم به هم‌تلگی ایجاد می‌کند که طی آن حرکت نانوذره از موقعیت بهینه‌ی خود برای خنک‌سازی دور می شود.

دو تیم پژوهشی برای رسیدن به خنک‌سازی سه بعدی کارآمد، یکی به رهبری مارکوس اسپیلمایر ( Markus Aspelmeyer) از دانشگاه وین و دیگری به رهبری رنه ریمان (René Reimann) از موسسه فدرال سوئیس (ETH) در زوریخ از پراکندگی نورِ همدوس برای تحقق بخشیدن به خنک‌سازی کاواکی حرکت مرکز جرم یک نانوذره‌ی معلق استفاده کرده‌اند [1,2]. پژوهش‌گران در هرکدام از این مجموعه‌ آزمایش‌ها از یک انبرک اپتیکی مستقل استفاده کرده‌اند تا یک ذره‌ی سیلیکای به قطر حدود ۱۴۰ نانومتر را در درون یک کاواک اپتیکی به دام بیاندازند (شکل ۱). چون انبرک اپتیکی بشدت متمرکز شده است، شدتش بسیار بیشتر از شدت مد کاواک است و بدام اندازیِ پایدار نانوذره در خلاء بالا را ممکن می‌سازد. این تیم توانسته موقعیت نانوذره را با دقت چند نانومتر در راستای محور کاواک کنترل کند.

شکل ۱) یک نانوذره که با انبرکی اپتیکی (به رنگ قرمز) در درون یک کاواک (یک جفت آینه به رنگ آبی) نگه داشته شده است. مد کاواک تا بسامد بالاتری از نور انبرک تنظیم می‌شود. همین‌‌طور فوتون‌ها که از نانوذره منعکس یا منحرف می‌شوند ترجیحاً آن‌هایی هستند که مقداری از انرژی را از نانوذره زدیده و نانوذره را به شکل موثری تا دماهای میلی‌کلوینی خنک می‌سازند.

این محققان به منظور خنک‌سازی، بسامد تشدید کاواک اپتیکی را اندکی بالاتر (حدود ۴۰۰ کیلوهرتز) از بسامد اپتیکی لیزر بدام اندازنده تنظیم کرده‌اند. این تنظیم‌سازی، پراکندگی فوتونها از نانوذرات را تحت تاثیر قرار می‌دهد. فوتون‌ها معمولاً مثل توپ‌های پینگ‌پونگ بصورت اتفاقی از نانوذرات منحرف و یا منعکس شده و به نانوذرات اندازه‌حرکت می‌بخشند و آن‌ها را به شکل موثری گرم می‌کنند. با این حال این کاواک با انتخاب آنکه کدام فوتون‌ها می‌توانند پراکنده شوند، مانع این حرارت‌دهی می شوند. اساساً آن فوتون‌هایی پراکنده می‌شوند که از نانوذره، پس‌زده شده و مقداری از انرژی ارتعاشی مکانیکی آن‌ها می‌دزدند! این عمل دزدی!، بسامد فوتون را ارتقا می‌دهد طوری‌که با بسامد تشدید کاواک انطباق پیدا می‌کند. اثر خالص این پراکندگی همدوس که از طریق کاواک صورت می‌گیرد به کاهش در انرژی جنبشی نانوذره منجر می‌شود.

هردوی این تیم‌ها بر حرکت نانوذره نظارت کرده‌اند این کار با استفاده از آشکارسازی تغییر جزئی در جهت انتشار لیزر بدام‌اندازنده صورت گرفته است. این آزمایش‌ها یک کندشدگی در سه بعد را نشان داده و اثبات کرده است که پراکندگی همدوس یک روش خنک‌سازیِ موثر سه‌بعدی کاواکیِ یک نانوذره‌ی معلق است. در آزمایش زوریخ، حرکت یک نانوذره تا یک دمای کمینه چند میکروکلوینی در فشار میلی‌بار سرد شده است [2]. در آزمایش وین حرکت نانوذره تا دمای حدود ۱ کلوین در فشار میلی‌بار پایین آورده شده است [1].

هرچند هردوی این پژوهش‌ها در توسعه‌ی اپتومکانیکِ معلق مهم هستند، حرکت‌های نانوذرات هنوز در رژیم کلاسیک قرار دارند. نتایج این خنک‌سازی‌ها به دلیل حرارت‌دهی از مولکول‌های محیط پیرامونی و افت‌وخیزهای مکانی انبرک اپتیکی محدودیت دارد [6]. کاهش بیشتر فشار هوا و بهبود ایزوله‌سازیِ ارتعاشی به خنک‌سازی حالت پایه‌ منجر می‌شود. بعلاوه محققان می‌توانند از مدهای کاواک چندگانه برای خنک‌سازی کارآمدتر حرکت در سه‌بعد استفاده کنند [11]. آن‌ها به توسعه‌ی روش‌های بهتر برای اندازه‌گیری‌های دقیقِ دمای موثر نزدیک به حالت پایه نیاز خواهند داشت. برای ساخت یک تداخل‌سنج ماده-موجِ نانوذره می‌توان از یک نانوذره‌ی معلق در رژیم کوانتومی استفاده کرد تا مدل‌های نابودی تابع موج، طبیعت کوانتومی گرانش و دیگر کاربردها را مورد مطالعه قرار داد. طی ده سال گذشته شاهد توسعه‌ی سریع در زمینه‌ی اپتومکانیک بوده‌ایم و انتظار پژوهش‌های پرباری در این زمینه و در آینده را داریم.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

مراجع:

1. U. Delić, M. Reisenbauer, D. Grass, N. Kiesel, V. Vuletić, and M. Aspelmeyer, “Cavity cooling of a levitated nanosphere by coherent scattering,” Phys. Rev. Lett. 122, 123602 (2019).
2. D. Windey, C. Gonzalez-Ballestero, P. Maurer, L. Novotny, O. Romero-Isart, and R. Reimann, “Cavity-based 3D cooling of a levitated nanoparticle via coherent scattering,” Phys. Rev. Lett. 122, 123601 (2019).
3. N. Kiesel, F. Blaser, U. Delic, D. Grass, R. Kaltenbaek, and M. Aspelmeyer, “Cavity cooling of an optically levitated submicron particle,” Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 14180 (2013).
4. P. Asenbaum, S. Kuhn, S. Nimmrichter, U. Sezer, and M. Arndt, “Cavity cooling of free silicon nanoparticles in high vacuum,” Nat. Commun. 4, 2743 (2013).
5. J. Millen, P. Z. G. Fonseca, T. Mavrogordatos, T. S. Monteiro, and P. F. Barker, “Cavity cooling a single charged levitated nanosphere,” Phys. Rev. Lett. 114, 123602 (2015).
6. C. Gonzalez-Ballestero, P. Maurer, D. Windey, L. Novotny, R. Reimann, and O. Romero-Isart, “Theory for cavity cooling of levitated nanoparticles via coherent scattering: Master equation approach,” arXiv:1902.01282.
7. Z.-q Yin, A. A. Geraci, and T. Li, “Optomechanics of levitated dielectric particles,” Int. J. Mod. Phys. B27, 1330018 (2013).
8. T. Li, S. Kheifets, and M. G. Raizen, “Millikelvin cooling of an optically trapped microsphere in vacuum,” Nat. Phys. 7, 527 (2011).
9. O. Romero-Isart, M. L Juan, R. Quidant, and J. I. Cirac, “Toward quantum superposition of living organisms,” New J. Phys. 12, 033015 (2010).
10. D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, and P. Zoller, “Cavity opto-mechanics using an optically levitated nanosphere,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 1005 (2010).
11. Z.-q. Yin, T. Li, and M. Feng, “Three-dimensional cooling and detection of a nanosphere with a single cavity,” Phys. Rev. A 83, 013816 (2011).

درباره‌ی نویسنده:

تانگ‌کنگ لی (Tongcang Li) استادیار فیزیک و نجوم و مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه پردیوی هند است.

منبع:

Nanoparticles Get Cool by Light Scattering