Het on-chip levitatieplatform van het team. a, De bovenste optische laag bestaat uit twee orthogonale paren van gespleten single-mode optische vezels. Een van de paren (langs y) creëert een staande golf bij λy = 1.550 nm, terwijl het tweede paar (langs x) een staande golf creëert bij λx = 1.064 nm. De afstanden tussen de vezels zijn dx = 80 μm en dy = 160 μm. Een deeltje (zwart) wordt gevangen op het kruispunt van beide staande golven. Het licht dat door het deeltje in de vezels wordt verstrooid, weergegeven door de pijlen, wordt gebruikt voor verplaatsingsdetectie. De vier vezels zijn gepositioneerd boven een set vlakke elektroden die worden gebruikt om actieve feedbackkoeling toe te passen op het geladen deeltje via elektrische krachten: rechter- en linkerelektroden voor feedback langs x, boven- en onderkant voor feedback langs y en middenelektrode voor feedback langs z. b, Afbeelding van de levitatiechip met de vlakke elektroden, vier optische vezels, vezelbevestigingen dicht bij het midden en draadverbindingen van de chip naar de PCB op de hoeken. c, Optische vezel gepositioneerd in een mechanische bevestiging die is vervaardigd via twee-fotonpolymerisatie en wordt gebruikt om de vezels uit te lijnen en op hun plaats te houden. Credit:Natuur Nanotechnologie (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01677-3
De levitatie van microscopische objecten in vacuüm en de controle over hun bewegingen terwijl ze zweven, werd voor het eerst enkele decennia geleden gedemonstreerd. Sindsdien werken verschillende onderzoeksgroepen aan nieuwe benaderingen om zwevende objecten in vacuüm met grotere vrijheidsgraden te controleren.
Hoewel de meeste experimenten die tot nu toe zijn uitgevoerd, gebaseerd waren op optische technieken, zijn sommige teams onlangs begonnen met het gebruik van hybride experimentele platforms die concepten combineren die geworteld zijn in de atoomfysica. Deze hybride platforms maken een grotere controle over de beweging van zwevende objecten mogelijk, wat nieuwe mogelijkheden ontsluit, zoals kracht- en koppeldetectie of precisieversnelling.
Onderzoekers van ETH Zurich hebben onlangs de hoogvacuümlevitatie van een silica-nanodeeltje op een hybride fotonisch-elektrische chip gedemonstreerd. Hun voorgestelde experimentele platform, uiteengezet in een paper gepubliceerd in Natuur Nanotechnologiebleek robuuste levitatie, nauwkeurige positiedetectie en dynamische controle van het nanodeeltje in vacuüm mogelijk te maken.
“Door de isolatie van de omgeving en de nauwkeurige controle over mesoscopische objecten heeft levitatie in een vacuüm zich ontwikkeld tot een veelzijdige techniek die al in diverse wetenschappelijke richtingen van pas is gekomen, van krachtmeting en thermodynamica tot materiaalkunde en scheikunde”, schreven Bruno Melo, Marc T. Cuairan en hun collega’s in hun artikel.
“Het biedt ook grote kansen voor het bevorderen van de studie van de kwantummechanica in het nog onontgonnen macroscopische domein.”
Ondanks recente ontwikkelingen in vacuümlevitatie en bewegingscontrole van deeltjes, vertrouwen de meeste eerder geïntroduceerde experimentele methoden op complexe strategieën en/of omvangrijke apparatuur. Dit beperkt hun toepassingen in de echte wereld aanzienlijk, waardoor ze onpraktisch zijn voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën.
Sommige onderzoekers hebben daarom geprobeerd vacuümlevitatieplatforms te miniaturiseren met behulp van elektrostatische en optische vallen. De levitatie die werd bereikt met de meeste van hun voorgestelde benaderingen, was echter niet robuust genoeg om te worden toegepast op beperkte apparaten, zoals cryostaten en draagbare apparaten.
Melo, Cuairan en zijn medewerkers introduceerden een nieuw hybride fotonisch-elektrisch platform dat robuuste levitatie, positiedetectie en dynamische controle van een nanodeeltje op een chip mogelijk maakt. In tegenstelling tot andere platforms vereist hun voorgestelde methode geen omvangrijke lenzen en optische apparatuur.
“We tonen levitatie en bewegingscontrole in hoog vacuüm van een silica nanodeeltje op het oppervlak van een hybride optische-elektrostatische chip,” schreven Melo, Cuairan en hun collega’s. “Door optische trapping op basis van vezels en gevoelige positiedetectie te combineren met koude demping door vlakke elektroden, koelen we de deeltjesbeweging af tot een paar honderd fononen.”
In de eerste tests behaalde het door het team voorgestelde on-chip vacuümlevitatie- en bewegingscontroleplatform opmerkelijke resultaten, met signaal-ruisverhoudingen en optische verplaatsingsdetectiemogelijkheden die vergelijkbaar zijn met die van andere benaderingen die afhankelijk zijn van omvangrijke optische apparatuur. Toen ze hun platform combineerden met planaire elektroden voor actieve feedbackkoeling, waren de onderzoekers ook in staat om het silica-nanodeeltje af te koelen en de beweging ervan in 3D te verminderen
De nieuwe aanpak voor on-chip vacuümlevitatie en bewegingsbesturing die door dit team bij ETH Zurich is geïntroduceerd, kan binnenkort nieuwe kansen bieden voor kwantumonderzoek en -technologieontwikkeling. In hun volgende studies zijn Melo, Cuairan en hun collega’s van plan om hun platform te blijven verbeteren, bijvoorbeeld door refractieve microlenzen te gebruiken om de detectiegevoeligheid verder te verbeteren en geavanceerdere optische elementen (bijvoorbeeld vezelholtes) te integreren.
“Wij verwachten dat ons volledig geïntegreerde platform het startpunt is voor on-chip apparaten die geïntegreerde fotonica en nanofotonica combineren met nauwkeurig ontworpen elektrische potentialen, waardoor de controle over de deeltjesbeweging richting complexe toestandsvoorbereiding en uitlezing wordt verbeterd”, schreven Melo, Cuairan en hun collega’s.
Meer informatie:
Bruno Melo et al, Vacuümlevitatie en bewegingscontrole op chip, Natuur Nanotechnologie (2024). DOI-bestand: 10.1038/s41565-024-01677-3
Informatie over het tijdschrift:
Natuur Nanotechnologie
