Tegelijkertijd koelen nanodeeltjes onafhankelijk van hun elektrische lading

Programmeerbare pincet voor het vangen van meerdere deeltjes. Credit: Natuur Nanotechnologie (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01254-6

Natuurkundigen hebben de afgelopen veertig jaar geleerd om steeds grotere objecten af ​​te koelen tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt: atomen, moleculen en sinds kort ook nanodeeltjes bestaande uit miljarden atomen. Waar je atomen alleen met laserlicht kunt koelen, moesten nanodeeltjes tot nu toe een elektrische lading hebben en voor optimale koeling met behulp van elektrische velden worden gemanipuleerd.

Een team van ETH-onderzoekers onder leiding van professor Lukas Novotny van de afdeling Informatietechnologie en Elektrotechniek heeft nu een techniek ontwikkeld om verschillende nanodeeltjes onafhankelijk van hun elektrische lading te vangen en af ​​te koelen tot enkele millikelvin. Dit opent verschillende mogelijkheden om kwantumverschijnselen van dergelijke deeltjes te bestuderen of om zeer gevoelige sensoren te bouwen.

Koeling van neutrale deeltjes

“In onze onderzoeksgroep hebben we de afgelopen tien jaar de koeling van enkele elektrisch geladen nanodeeltjes geperfectioneerd”, zegt Jayadev Vijayan, een postdoc in het laboratorium van Novotny en hoofdauteur van het artikel dat onlangs is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie. “Met de nieuwe methode, die ook werkt voor elektrisch neutrale objecten, kunnen we nu voor het eerst ook meerdere deeltjes tegelijk vangen, wat geheel nieuwe perspectieven opent voor onderzoek.”

In hun experimenten vingen de onderzoekers een kleine glazen bol van iets minder dan 200 nanometer groot met behulp van een sterk gefocuste laserstraal, ook wel een optische pincet genoemd, in een vacuümapparaat. In de optische pincet oscilleert de bol heen en weer vanwege zijn bewegingsenergie.

Hoe hoger de temperatuur van het deeltje, hoe hoger de bewegingsenergie en dus de oscillatie-amplitude. Hoe sterk en in welke richting de bol op een bepaald moment in de optische pincet oscilleert, kan worden gemeten met een lichtdetector, die het door de bol verstrooide laserlicht opvangt.

Vertragen door te schudden

Novotny en zijn medewerkers gebruiken die informatie vervolgens om het nanodeeltje te vertragen en daardoor af te koelen. Dit wordt bereikt door de optische pincet in precies de tegenovergestelde richting te schudden ten opzichte van de oscillatie van de bol met behulp van een elektronisch gestuurde deflector die de richting van de laserstraal en dus de positie van de pincet enigszins verandert.

Wanneer de bol naar links beweegt, wordt de pincet snel naar rechts verschoven om de beweging van de bol tegen te gaan; wanneer het naar rechts beweegt, verschuift de deflector het pincet naar links. Op deze manier wordt de oscillatie-amplitude, en daarmee de effectieve temperatuur, beetje bij beetje verminderd – helemaal tot enkele duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt van -273,15 graden Celsius.

Om twee nanodeeltjes tegelijk af te koelen gebruiken de onderzoekers een trucje. Het optische pincet waarin ze de bollen vangen, is zo afgesteld dat de trillingsfrequenties van de deeltjes net iets anders zijn. Op die manier kunnen de bewegingen van de twee bollen worden onderscheiden met behulp van dezelfde lichtdetector en kunnen de afkoelstrategieën afzonderlijk op de twee pincetten worden toegepast.

Opschalen naar enkele nanodeeltjes

“De gelijktijdige koeling kan eenvoudig worden opgeschaald tot meerdere nanodeeltjes”, legt Vijayan uit. “Omdat we volledige controle hebben over de posities van de deeltjes, kunnen we de interacties tussen hen willekeurig afstemmen; op die manier kunnen we in de toekomst kwantumeffecten van verschillende deeltjes bestuderen, zoals verstrengeling.”

In een verstrengelde toestand beïnvloedt een meting aan het ene deeltje ogenblikkelijk de kwantumtoestand van het andere zonder enig direct contact tussen de twee deeltjes. Dergelijke toestanden zijn tot nu toe vooral gerealiseerd met fotonen of enkele atomen. Vijayan hoopt dat hij op een dag ook verstrengelde toestanden kan creëren met de veel grotere nanodeeltjes.

Dat de nanodeeltjes elektrisch neutraal kunnen zijn, heeft nog meer voordelen, bijvoorbeeld voor de ontwikkeling van extreem gevoelige sensoren. Bij het meten van zeer zwakke zwaartekrachten tussen objecten of het zoeken naar hypothetische donkere materie, zou men andere krachten zoveel mogelijk willen elimineren – en meestal zijn dat elektrostatische krachten tussen geladen deeltjes. Ook op dat gebied belooft de door de ETH-onderzoekers ontwikkelde methode nieuwe inzichten.