Pomocí fokusovaných laserových paprsků (rezavá) vědci z ETH ochladili dvě skleněné kuličky na extrémně nízké teploty. Kredit: ETH Zürich / Vijayan Jayadev

Přišli na to, jak ochladit k absolutní nule i nanočástice

Efektivní techniky chlazení až téměř k absolutní nule pomocí laseru byly dosud využitelné pouze pro jednotlivé, od sebe oddělené atomy nebo molekuly. Nový výzkum by měl umožnit to provádět i s nanočásticemi.
Zatímco atomy šlo ochladit pouze laserovým světlem, nanočástice dosud musely mít elektrický náboj a pro optimální chlazení se s nimi muselo manipulovat pomocí elektrického pole. Nyní by laserové chlazení mělo jít použít i pro nanočástice, a to bez ohledu na jejich náboj. Tým výzkumníků z curyšského ETH pod vedením profesora Lukáše Novotného totiž vyvinul techniku, která umožňuje zachytit a ochladit několik nanočástic nezávisle na jejich elektrickém náboji až na úroveň několika milikelvinů. To otevírá různé možnosti pro studium kvantových jevů těchto částic nebo i pro konstrukci vysoce citlivých senzorů.
Při svých experimentech vědci zachytili ve vakuu malou skleněnou kuličku o velikosti o něco menší než 200 nanometrů pomocí silně fokusovaného laserového paprsku (tj. optická pinzeta). Uvnitř optické pinzety kulička kmitala sem a tam díky své pohybové energii. Čím vyšší teplota částice, tím vyšší byla její pohybová energie, a tedy i amplituda oscilací. To, jak silně a v jakém směru kulička uvnitř optické pinzety v daném okamžiku kmitala, šlo měřit pomocí detektoru, který zachycuje laserové světlo rozptýlené kuličkou. Vědci pak tuto informaci využili ke zpomalení nanočástice, a tím k jejímu ochlazení. Což se docílí tak, že se optickou pinzetou zatřese přesně opačně vzhledem ke kmitání kuličky pomocí elektronicky řízeného deflektoru, který mírně mění směr laserového paprsku a s ním i polohu pinzety. Když se kulička pohybuje doleva, pinzeta se rychle posune doprava, aby působila proti jejímu pohybu; a naopak. Tímto způsobem se amplituda kmitů, a tedy i efektivní teplota, postupně sníží až na několik tisícin stupně nad absolutní nulou.
K ochlazení dvou nanočástic najednou výzkumníci použili malý trik. Optickou pinzetu, v níž kuličky uvěznili, nastavili tak, aby se frekvence kmitání částic mírně lišily. Tímto způsobem lze pomocí stejného detektoru světla rozlišit pohyby obou kuliček a strategie ochlazování lze aplikovat na obě pinzety odděleně. Stejný princip lze škálovat (rozšířit) i na ještě větší počet nanočástic. V budoucnosti by za těchto podmínek bylo možné dosahovat s nanočásticemi i kvantové provázanosti (entanglement; tj. jde o to, že by se provázanost rozšířila i na mnohem větší objekty než fotony nebo atomy, s nimiž se prováděla dosud).
To, že nanočástice v těchto experimentech můžou být elektricky neutrální, má i další význam. V extrémně citlivých detektorech (měření gravitace, hledání temné hmoty…) nebudou výsledky ovlivňovat elektrické interakce mezi částicemi.

Jayadev Vijayan, Scalable all-optical cold damping of levitated nanoparticles, Nature Nanotechnology (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01254-6. www.nature.com/articles/s41565-022-01254-6
Zdroj: ETH Zürich / Phys.org

Enzymy s lehkými izotopy jsou účinnější mnohem víc

Těžká voda reaguje chemicky trochu jinak než čistě „lehká“, nebo než běžná směs obou izotopů. …

5 comments

  1. 200 nm skleněná kulička je makroskopický objekt skládající se z více než miliardy atomů, tudíž jeho termodynamická teplota je definována střední kvadratickou rychlostí jejich vzájemného pohybu a nikoliv rychlostí pohybu samotné kuličky, jak se nám snaží autoři tohoto článku namluvit. V duchu této zprávy mohu prohlásit, že se mi dnes ráno povedlo ochladit svoje auto na 0 K tím, že jsem zastavil na parkovišti.

  2. Pavel Houser

    nezpochybnuju, ze nanocastice se sklada z miliardy atomu. z puvodniho textu: Inside the optical tweezer the sphere oscillates back and forth due to its motional energy. The higher the temperature of the particle, the higher its motional energy and hence the amplitude of oscillation. na me to dela dojem, ze teplota odpovida kmitani nanocastice. oni vlastne stejnou metodu jako pro atomy pouzivaji pro chlazeni nanocastic – z jejich pohledu je nanocastice proste velky atom.

  3. Ano, souhlasím s Vaším výkladem článku, a upozorňuji, že jeho hlavní sdělení je zcela zavádějící, neboť:
    1) Ta nanočástice je složený objekt, jehož termodynamická teplota je definována na základě neuspořádaného pohybu jeho komponent, v tomto případě atomů. Pokud se nějaké skupina lidí rozhodne nazývat teplotou částice něco jiného, než na čem se shodli předchozí generace fyziků, je to matení pojmů – zde s jasným cílem publikovat bombastický výsledek, na němž ve skutečnosti nic bombastického není. Ve vakuu a izolována od vnějších polí bude tato částice kmitat jedině vlivem fluktuací světelného pole té pinzety, která ji drží, jinak není žádný důvod, aby nestála na místě jak přibitá, bez ohledu na její skutečnou teplotu.
    2) Teplota není definována pro jednu nebo několik málo částic (i kdyby se jednalo o atomy), ale pouze pro velký soubor vzájemně se pohybujících částic, které si spolu vyměňují energii a hybnost. Lze sice definovat i teplotu systému harmonických oscilátorů (což mají nejspíš autoři tohoto článku na mysli), ale opět je k tomu potřeba velký soubor vzájemně interagujících oscilátorů, nikoliv jednotky (navíc ještě separátně ovládané zvenčí). V případě jednotlivých kuliček nebo oscilátorů lze hovořit pouze o jejich rychlosti (hybnosti) nebo energii.

  4. Pavel Houser

    dekuji za vysvetleni. asi mate pravdu, ale myslim, ze se to tak rekneme nepresne pouziva, jako „ochladili laserem 10 atomu rubidia na teplotu xy“… rekneme, ze spravne sdeleni textu by tedy bylo proste tak, ze nejaky zpusob manipulace s atomy se podaril realizovat i pro mnohem vetsi objekt, tot vse?

  5. No, přiznám se, že sdělení článku vlastně vůbec nerozumím (pominu-li předpoklad, že prostě potřebovali něco publikovat). Pokud bychom se bavili o ochlazení jednotlivých atomů v nějaké mřížce (třeba vytvořené světelným polem laserů), pak jde o střední energii kmitů těch atomů, které se v potenciálové pasti chovají jako harmonický oscilátor. Ani zde není pojem teplota použit úplně korektně, ale aspoň se dá se interpretovat jako pravděpodobnost, že bude mít daný atom (oscilátor) určitou hodnotu energie.
    U 200 nm kuličky má smysl se bavit spíše o tom, jakou má amplitudu a frekvenci kmitů kolem své rovnovážné polohy v poli optické pinzety, což jsou určitě důležité parametry pro použití této pinzety v různých aplikacích, ale nijak to nesouvisí s dosahováním nízkých teplot.
    Mimochodem, pokud bychom takto převedli uvedenou teplotu několik mK 200 nm skleněné kuličky (jejíž hmotnosti je cca 1e-17 kg) na energii (vztahem m*v^2 = k*T), odpovídala by rychlosti jejího pohybu desítky až stovky mikrometrů (tj. stovky až tisíce jejího průměru) za sekundu. Jelikož není uvedena síla vazby mezi touto kuličkou a optickou pinzetou, nelze odhadnout, zda jim tam lítá s frekvencí několika Hz a amplitudou stovek svých průměrů nebo naopak s frekvencí MHz a amplitudou jen zlomky promile svého průměru. Bylo by zajímavé se podívat na parametry komerčně dostupných optických pinzet, jak daleko jsou od tohoto „objevu“.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close