研究人員開發(fā)了一種新裝置，能夠以前所未有的靈敏度測量和控制困在激光束中的納米粒子。

這項新技術(shù)可以幫助科學(xué)家以亞原子分辨率研究宏觀粒子的運(yùn)動，亞原子分辨率是由量子力學(xué)規(guī)則而不是經(jīng)典物理規(guī)則控制的尺度。來自奧地利維也納大學(xué)(University of Vienna)和荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(Delft University of Technology)的研究人員在光學(xué)學(xué)會(Optical Society)的《光學(xué)學(xué)報》(Optica)上報告了他們的新設(shè)備。

盡管這種方法已經(jīng)用于捕獲原子，但該團(tuán)隊是第一個使用它精確測量由數(shù)十億原子構(gòu)成的光學(xué)捕獲納米粒子的運(yùn)動的團(tuán)隊。研究小組組長、維也納大學(xué)的馬庫斯·阿斯佩爾梅耶(Markus Aspelmeyer)說：從長遠(yuǎn)來看，這種設(shè)備可以幫助我們從根本上理解納米材料及其與環(huán)境的相互作用。這可能會通過利用納米尺度的特性，開發(fā)出剪裁材料的新方法。研究人員正在努力改進(jìn)該設(shè)備，以提高電流靈敏度四個數(shù)量級，這將允許我們利用空腔與粒子的相互作用來探測甚至控制粒子的量子態(tài)，這是最終目標(biāo)。

進(jìn)行微小的測量

這種新方法使用一種被稱為光子晶體腔的光導(dǎo)納米器件來監(jiān)測懸浮在傳統(tǒng)光學(xué)阱中的納米粒子位置。光學(xué)捕獲利用聚焦激光束對物體施加一個力使其保持在原位，這項技術(shù)被2018年諾貝爾物理學(xué)獎授予先驅(qū)亞瑟·阿什金(Arthur Ashkin)。我們知道，量子物理定律適用于原子和分子的尺度，但不知道一個物體可以有多大，還能展示量子物理現(xiàn)象，通過捕獲納米粒子并將其與光子晶體腔耦合，可以分離出比原子或分子大的物體，并研究其量子行為。

新裝置通過使用比光波長更窄的長光子晶體腔來實現(xiàn)高靈敏度。這意味著，當(dāng)光進(jìn)入納米尺度的空腔并沿空腔向下傳播時，其中一些光會漏出，形成所謂的“消失場”。當(dāng)物體靠近光子晶體時，倏逝場發(fā)生變化，這反過來又以可測量的方式改變了光在光子晶體中的傳播方式。論文第一作者洛倫佐?馬格里尼(Lorenzo Magrini)表示：通過研究光子晶體中的光如何對納米粒子做出反應(yīng)，我們可以以非常高的分辨率推斷出納米粒子隨時間推移的位置。

收集每個光子

這種新裝置幾乎可以探測到每一個與被捕獲納米粒子相互作用的光子。這不僅有助于實現(xiàn)極高的靈敏度，而且意味著與其他大多數(shù)光子丟失的方法相比，這種新方法使用的光功率要小得多。在真空條件下，研究人員證明，對于每一個被探測到的光子，其靈敏度要比傳統(tǒng)的測量光阱中納米粒子位移的方法高兩個數(shù)量級。粒子與空腔的倏逝場之間的相互作用強(qiáng)度比以前報道的要高三個數(shù)量級。更強(qiáng)的相互作用意味著光子腔可以探測到更多關(guān)于粒子運(yùn)動的信息。

與世界上其他幾個研究小組類似，研究人員正在努力實現(xiàn)量子測量，現(xiàn)在正在改進(jìn)他們的設(shè)置，并努力大幅提高設(shè)備的靈敏度。這將使測量能夠在更強(qiáng)的真空條件下進(jìn)行，從而增加粒子與環(huán)境的隔離。除了研究量子力學(xué)，這種新裝置還可以用來精確測量加速度和其他可能在微觀尺度上產(chǎn)生的力。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：?美國光學(xué)學(xué)會

參考期刊文獻(xiàn):《Optica》

DOI: 10.1364/OPTICA.5.001597

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