春は本格的で、最後の雪はほぼどこでも溶け、待望の暖かさが支配しました。 熱を愛する人々はついにニットのセーター、スカーフ、帽子を脱ぎ始めており、セイウチはすでにショーツとTシャツを着ています。 一方、ウィーン大学の研究室の1つで犬の風邪の治世と科学者は非常に満足しています。ナノ粒子の量子効果を別の方法で研究することは非常に難しいからです。 文学的な革命がなければ、今日は、光共振器からのトラップによって空中浮揚ナノ粒子を冷却する新しい方法の実用的なテストに精通します。 科学者がナノ粒子をほぼ絶対ゼロに凍結した理由と方法、方法はどれほど効果的か、量子効果の研究に何をもたらすことができるのか？ これらの質問やその他の質問に対する答えは、研究グループの報告書に記載されています。 行こう
実験基盤
科学者自身が言うように、粒子のレーザーキャプチャとその冷却は、原子物理学で非常に人気のあるツールの1つであり、それらに反対することは困難です。 髪が存在していないように見える場合でも、髪が逆に立つすべてのスーパーデュパーコンプレックスの処方を省略すると、プロセス全体は次のように説明できます。ドップラーシフトレーザー光子の吸収とそれに続く自然発生による原子または分子のモーター冷却が可能です放射線。 しかし、このプロセスは冷却された粒子の内部構造に依存します。 この依存性は、粒子の動きと光共振器のフィールドを組み合わせることで回避できます。これにより、新しい冷却方式が実現します。
研究界で大きな関心を集めたのは、光トラップの場のコヒーレント散乱による共振器冷却の方法でした。 このような状況では、制御された双極子は、励起の場とコヒーレントな散乱を生成します。 最初は空の光共振器での光子の散乱は、新しい冷却方法を提供します。 共振器からの励起場の正しいレーザー離調を適用すると、散乱プロセスを共鳴的に強化することができ、その結果、粒子の動きからエネルギーが除去されます。 冷却しているのは、このエネルギーの除去です。
画像番号1：浮遊粒子の共鳴冷却の2つのオプション。
図1aは、光トラップ（「ピンセット」）からのコヒーレント散乱による共鳴冷却が、空の光共振器に放出される双極子放射に基づいていることを示しています。
画像1b-標準的な分散オプトメカニクスでは、外部レーザーが共振器と散乱の両方を制御します。 共振器モードの最大強度勾配により、最適な冷却が可能です。
科学者は彼らの研究で、コヒーレント散乱による空中浮揚ナノ粒子の共鳴冷却の実際的な実装を実証しました。 同時に、科学者はこのプロセスを3方向の熱運動で実行することができましたが、以前はそのような実験は1方向のみで、原子のみを対象として正常に実行されていました。
理論的根拠
おばあちゃんのレースに似た美しいフォーミュラが好きな人は、今、これらのいくつかを検討します。
画像2：コヒーレント散乱による共鳴冷却。
光学トラップは、周波数ωtωのレーザーによって形成され、顕微鏡の対物レンズ（ OM ）によって真空チャンバー（ vac ）に集光されます。 ナノ粒子は、ファブリー—ペロ共振器の中心に浮上します。 弱いブロッキングビームがトラッピングレーザーから抽出され、周波数ω2で光共振器を共振制御するため、光共振器の周波数に対してωtωおよびω2を安定して固定できます。 上の画像のPBSは偏光ビームスプリッターで、 ωhetは局部発振器の復調周波数です。
ここで、モードボリュームV cav （ビーム口w 0 ）の空の光学キャビティ内で、キャビティ軸に沿った位置x 0でビームネック（W x; y 、レーザービームの最も狭い部分）を持つレーザーピンセットで捕捉されたナノ粒子を考えます（画像番号2 ）
この場合、誘導された双極子と内部（局所）電場との相互作用は、次のハミルトニアンとして説明できます。
指定：
E twおよびE cavは、ピンセットの電界と共振モードです。
ωtwはピンセットの周波数です。
ωcavは共振器の周波数です。
は粒子の分極率です。
â†およびâ-共振フィールド演算子。
⍷0は電気定数です。
cは光の速度です。
kは波数です。
zR-レイリー長。
ピンセットの周波数が光共振器の共振に近づくと、共振器モードの密度によって双極子の放射スペクトルが変化し、共鳴増幅コヒーレント散乱が生じます。
このような散乱にはいくつかの顕著な特徴があります。 第一に、散乱双極子放射の指向性により、相互作用力はトラッピングレーザーの偏光に大きく依存します。 第二に、この相互作用は、光トラップと共振器の両方の電界強度と並行して強化されます。 第三に、共振器の電界における相互作用は線形です。
実用的な実装
画像2の図からわかるように、顕微鏡の対物レンズとファブリペロー共振器は真空チャンバー内にあります。 このレンズは、10 x 64 nmのレーザーをW x 0.67μmおよびW y 0.77μmのネックに集束させ、直径71.5 nmの石英ナノスフェアを捕捉する光ピンセット（トラップ）を形成します。 トラップは、非縮退機械周波数（Ωx、Ωy、Ωz）/2Π=（190、170、38）kHzの横断面で楕円形です。 レンズ自体は、8 nm単位で3軸のナノポジショナーに取り付けられています。 レーザーと共振器の周波数間の離調を制御するために、光の一部が周波数ω2 =ωcav-FSR-Δでシフトし、光共振器を弱くポンピングします。 これにより、光ピンセットのレーザー光源が自由に移動するファブリーペロー空洞を追跡できるラッチ信号が提供されます。
実験セットアップには4つの検出/検出チャネル（I-IV）があります。 光ピンセットの散乱によって得られた3方向すべての粒子運動（I）を直接検出します。 共振器内の固定レーザーの透過の均一検出（II）。これにより、共振器の軸に沿った位置のオプトメカニカル検出が可能になります。 これは、コヒーレントに散乱した光に依存することなく、キャビティフィールドに対して粒子を整列させるために必要です。 光共振器（III）でコヒーレントに散乱された光子のパワーも測定され、同時に共振器の左ミラーからの電界漏れを追跡しました。 4番目（IV）の検出は、光子のスペクトル分解特性による共振器の右ミラーからの放射の検出です。
コヒーレント散乱は、光ピンセットの偏光に強く依存します。 科学者は、次の直線偏光角について3つの散乱オプションを分析しました：θ= 0、θ=π/ 4およびθ=π/ 2。
イメージNo. 3
最初に、空洞の軸に沿ってトラッピングレーザーの偏光が確立され（つまり、θ= 0）、空の空洞モードでの散乱が最小限に抑えられます（ 3a ）。 偏光を完全に整列させるには、この散乱を完全に抑制する必要があります。 科学者は、ピンセットと共振器の軸の位置合わせによって制限される100倍の抑制を達成することができました。 その結果、コヒーレント散乱が得られ、y軸とz軸に沿ってわずかな共振器冷却が生じました。
偏光がθ=π/ 4だけ変化すると、科学者はコヒーレント散乱による（熱運動のすべての軸に沿った）3次元冷却を観察しました（ 3b ）。 この効果は、偏光θ=π/ 2への移行時に失われます。 この場合、x軸とz軸に沿った良好な、しかしまだ弱い冷却が観察されました（ 3s ）。 y軸は同様の結果を示しませんでした。これは、トラップの偏光がわずかに楕円形であることによって説明されます。
この実験の理論と実践の詳細については、研究グループのレポートをご覧になることを強くお勧めします。
エピローグ
上記を要約すると、要約できます。 光ピンセットのナノ粒子は、いわば、あらゆる方向の光散乱体です。 この粒子が光共振器の内部に配置されている場合、この光の一部をミラー間に保存できます。 したがって、光子は空洞に散乱します。 光子エネルギーが必要よりも少ない光を使用すると、ナノ粒子は運動エネルギーの一部を与え、光子が共振器内で散乱されるようにします。 粒子内部の運動エネルギーの減少は、冷却につながります。
この研究の著者の1人であるVladan Vuletichはすでに同様の実験を行っていますが、原子を使用した場合と熱運動の1つの軸に沿った場合のみ良好な結果が得られました。
研究者によると、この方法は、さまざまなナノ粒子の量子特性のより詳細な研究を可能にし、それによって、量子世界とその時々奇妙で紛らわしい法則に関する知識と一般的な理解を広げます。
ご静聴ありがとうございました。好奇心を保ち、良い週をお過ごしください。
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