研究人員開發了一種新裝置，能夠以前所未有的靈敏度測量和控制困在雷射束中的奈米粒子。這項新技術可以幫助科學家以亞原子解析度研究宏觀粒子的運動，亞原子解析度是由量子力學規則而不是經典物理規則控制的尺度。來自奧地利維也納大學(University of Vienna)和荷蘭代爾夫特理工大學(Delft University of Technology)的研究人員在光學學會(Optical
Society)的《光學學報》(Optica)上報告了他們的新裝置。
儘管這種方法已經用於捕獲原子，但該團隊是第一個使用它精確測量由數十億原子構成的光學捕獲奈米粒子的運動的團隊。研究小組組長、維也納大學的馬庫斯·阿斯佩爾梅耶(Markus
Aspelmeyer)說：從長遠來看，這種裝置可以幫助我們從根本上理解奈米材料及其與環境的相互作用。這可能會透過利用奈米尺度的特性，開發出剪裁材料的新方法。研究人員正在努力改進該裝置，以提高電流靈敏度四個數量級，這將允許我們利用空腔與粒子的相互作用來探測甚至控制粒子的量子態，這是最終目標。
進行微小的測量
這種新方法使用一種被稱為光子晶體腔的光導奈米器件來監測懸浮在傳統光學阱中的奈米粒子位置。光學捕獲利用聚焦雷射束對物體施加一個力使其保持在原位，這項技術被2018年諾貝爾物理學獎授予先驅亞瑟·阿什金(Arthur
Ashkin)。我們知道，量子物理定律適用於原子和分子的尺度，但不知道一個物體可以有多大，還能展示量子物理現象，透過捕獲奈米粒子並將其與光子晶體腔耦合，可以分離出比原子或分子大的物體，並研究其量子行為。
圖片：CC0 Public Domain
新裝置透過使用比光波長更窄的長光子晶體腔來實現高靈敏度。這意味著，當光進入奈米尺度的空腔並沿空腔向下傳播時，其中一些光會漏出，形成所謂的「消失場」。當物體靠近光子晶體時，倏逝場發生變化，這反過來又以可測量的方式改變了光在光子晶體中的傳播方式。論文第一作者洛倫佐•馬格里尼(Lorenzo
Magrini)表示：透過研究光子晶體中的光如何對奈米粒子做出反應，我們可以以非常高的解析度推斷出奈米粒子隨時間推移的位置。
收集每個光子
這種新裝置幾乎可以探測到每一個與被捕獲奈米粒子相互作用的光子。這不僅有助於實現極高的靈敏度，而且意味著與其他大多數光子丟失的方法相比，這種新方法使用的光功率要小得多。在真空條件下，研究人員證明，對於每一個被探測到的光子，其靈敏度要比傳統的測量光阱中奈米粒子位移的方法高兩個數量級。粒子與空腔的倏逝場之間的相互作用強度比以前報導的要高三個數量級。更強的相互作用意味著光子腔可以探測到更多關於粒子運動的資訊。
與世界上其他幾個研究小組類似，研究人員正在努力實現量子測量，現在正在改進他們的設定，並努力大幅提高裝置的靈敏度。這將使測量能夠在更強的真空條件下進行，從而增加粒子與環境的隔離。除了研究量子力學，這種新裝置還可以用來精確測量加速度和其他可能在微觀尺度上產生的力。
博科園-科學科普｜研究/來自： 美國光學學會
參考期刊文獻:《Optica》
DOI: 10.1364/OPTICA.5.001597
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