研究人员开发了一种新装置，能够以前所未有的灵敏度测量和控制困在激光束中的纳米粒子。这项新技术可以帮助科学家以亚原子分辨率研究宏观粒子的运动，亚原子分辨率是由量子力学规则而不是经典物理规则控制的尺度。来自奥地利维也纳大学(University of Vienna)和荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的研究人员在光学学会(Optical Society)的《光学学报》(Optica)上报告了他们的新设备。
尽管这种方法已经用于捕获原子，但该团队是第一个使用它精确测量由数十亿原子构成的光学捕获纳米粒子的运动的团队。研究小组组长、维也纳大学的马库斯·阿斯佩尔梅耶(Markus Aspelmeyer)说：从长远来看，这种设备可以帮助我们从根本上理解纳米材料及其与环境的相互作用。这可能会通过利用纳米尺度的特性，开发出剪裁材料的新方法。研究人员正在努力改进该设备，以提高电流灵敏度四个数量级，这将允许我们利用空腔与粒子的相互作用来探测甚至控制粒子的量子态，这是最终目标。
进行微小的测量
这种新方法使用一种被称为光子晶体腔的光导纳米器件来监测悬浮在传统光学阱中的纳米粒子位置。光学捕获利用聚焦激光束对物体施加一个力使其保持在原位，这项技术被2018年诺贝尔物理学奖授予先驱亚瑟·阿什金(Arthur Ashkin)。我们知道，量子物理定律适用于原子和分子的尺度，但不知道一个物体可以有多大，还能展示量子物理现象，通过捕获纳米粒子并将其与光子晶体腔耦合，可以分离出比原子或分子大的物体，并研究其量子行为。
图片：CC0 Public Domain
新装置通过使用比光波长更窄的长光子晶体腔来实现高灵敏度。这意味着，当光进入纳米尺度的空腔并沿空腔向下传播时，其中一些光会漏出，形成所谓的“消失场”。当物体靠近光子晶体时，倏逝场发生变化，这反过来又以可测量的方式改变了光在光子晶体中的传播方式。论文第一作者洛伦佐•马格里尼(Lorenzo Magrini)表示：通过研究光子晶体中的光如何对纳米粒子做出反应，我们可以以非常高的分辨率推断出纳米粒子随时间推移的位置。
收集每个光子
这种新装置几乎可以探测到每一个与被捕获纳米粒子相互作用的光子。这不仅有助于实现极高的灵敏度，而且意味着与其他大多数光子丢失的方法相比，这种新方法使用的光功率要小得多。在真空条件下，研究人员证明，对于每一个被探测到的光子，其灵敏度要比传统的测量光阱中纳米粒子位移的方法高两个数量级。粒子与空腔的倏逝场之间的相互作用强度比以前报道的要高三个数量级。更强的相互作用意味着光子腔可以探测到更多关于粒子运动的信息。
与世界上其他几个研究小组类似，研究人员正在努力实现量子测量，现在正在改进他们的设置，并努力大幅提高设备的灵敏度。这将使测量能够在更强的真空条件下进行，从而增加粒子与环境的隔离。除了研究量子力学，这种新装置还可以用来精确测量加速度和其他可能在微观尺度上产生的力。
博科园-科学科普｜研究/来自： 美国光学学会
参考期刊文献:《Optica》
DOI: 10.1364/OPTICA.5.001597
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