独立于电荷同时冷却纳米粒子

在过去的四十年里，物理学家学会了将越来越大的物体冷却到接近绝对零的温度：原子、分子以及最近由数十亿个原子组成的纳米粒子。虽然可以单独用激光冷却原子，但到目前为止，纳米粒子需要带电荷，并且必须使用电场进行控制才能实现最佳冷却。

由信息技术和电气工程系的LukasNovotny教授领导的ETH研究小组现已开发出一种技术，可以捕获和冷却多个纳米粒子，而不受其电荷的影响，将其降至几毫开尔文。这为研究此类粒子的量子现象或构建高灵敏度传感器开辟了各种可能性。

冷却中性粒子

“在过去的十年里，我们的研究小组已经完善了单个带电纳米粒子的冷却，”Novotny实验室的博士后JayadevVijayan说，他是最近发表在科学杂志《自然纳米技术》上的论文的主要作者。“通过这种也适用于电中性物体的新方法，我们现在还可以首次同时捕获多个粒子，这为研究开辟了全新的视角。”

在他们的实验中，研究人员使用真空装置内的强聚焦激光束(也称为光镊)捕获了一个尺寸略小于200纳米的微小玻璃球体。在光镊内部，球体由于其动能而来回振荡。

粒子的温度越高，其动能就越高，因此振荡幅度也越大。球体在给定时刻在光镊内振荡的强度和方向可以使用光检测器测量，光检测器捕获球体散射的激光。

ETH研究人员使用聚焦激光束(红色)将两个玻璃球冷却到极低的温度。图片来源：ETHZürich/VijayanJayadev

通过摇晃减速

Novotny和他的合作者随后使用该信息来减慢纳米粒子的速度，从而冷却它。这是通过使用电控偏转器以与球体振荡完全相反的方式摇动光镊来实现的，该偏转器会稍微改变激光束的方向，从而改变镊子的位置。

当球体向左移动时，镊子迅速向右移动以抵消球体的运动;当它向右移动时，偏转器将镊子向左移动。以这种方式，它的振荡幅度，因此它的有效温度，一点一点地降低——一直下降到比-273.15摄氏度的绝对零度高出千分之几度。

为了同时冷却两个纳米粒子，研究人员使用了一个技巧。调整捕获球体的光镊，使粒子的振荡频率略有不同。这样，可以使用相同的光探测器区分两个球体的运动，并且可以将冷却策略分别应用于两个镊子。

放大到几个纳米粒子

“同时冷却可以直接放大到几个纳米粒子，”Vijayan解释道。“由于我们完全控制了粒子的位置，我们可以任意调整它们之间的相互作用;这样，将来我们可以研究多个粒子的量子效应，例如纠缠。”

在纠缠态中，对一个粒子的测量会立即影响另一个粒子的量子态，两个粒子之间没有任何直接接触。到目前为止，这种状态主要是通过光子或单个原子实现的。Vijayan希望有一天他也能用更大的纳米粒子创造纠缠态。

纳米粒子可以是电中性的事实具有更多优势，例如用于开发极其灵敏的传感器。在测量物体之间非常弱的引力或寻找假设的暗物质时，人们希望尽可能地消除其他力——而最常见的是带电粒子之间的静电力。ETH研究人员开发的方法也有望在这些领域产生新的见解。