Los investigadores de ETH han enfriado una nanopartícula a una temperatura récord, gracias a una sofisticada configuración experimental que utiliza luz láser dispersa para enfriar. Hasta ahora, nadie ha enfriado jamás una nanopartícula a temperaturas tan bajas en una jaula de fotones. Dominik Windey y René Reimann - estudiante de doctorado y postdoctorado en el grupo dirigido por Lukas Novotny, Profesor de Fotónica:han logrado enfriar una perla de vidrio de 140 nanómetros hasta unas milésimas de grado por encima del cero absoluto.

Los investigadores publicaron recientemente detalles de su trabajo en la revista. Cartas de revisión física . Su avance se produjo en forma de una sofisticada configuración experimental con pinzas ópticas, mediante el cual se puede hacer levitar una nanopartícula con la ayuda de un rayo láser. El grupo ya ha utilizado las mismas pinzas ópticas en trabajos anteriores, en el que hicieron que una nanopartícula girara alrededor de su propio eje a una velocidad extremadamente alta.

Una linea fina

Los científicos ahora han complementado las pinzas ópticas con una jaula de fotones dispuesta perpendicularmente a ella. Esta jaula consta de dos espejos altamente reflectantes, cuya posición los investigadores pueden ajustar dentro de unas mil millonésimas de milímetro.

Este ajuste preciso es crucial, dado que la partícula dispersa parte de la luz láser y los científicos pueden usar la distancia entre los espejos para controlar qué tipo de luz se dispersa. "Podemos ajustar los espejos para dispersar más luz con una frecuencia ligeramente más alta que la luz láser primaria, "explica Windey." Como la luz de frecuencia más alta también es más alta en energía, los fotones absorben energía de la nanopartícula durante la dispersión ". En otras palabras, si el espejo está ajustado correctamente, la perla de vidrio pierde energía continuamente y su amplitud de oscilación se hace cada vez más pequeña:se enfría.

"La característica clave de nuestra configuración experimental es que la oscilación de la partícula no solo se vuelve más pequeña en una dirección, pero en las tres dimensiones, ", dice Windey." Esto no es posible con otras configuraciones experimentales que se encuentran en la literatura relacionada con nanopartículas en jaulas de fotones ". El hecho de que el enfriamiento tiene lugar en tres dimensiones fue confirmado por cálculos teóricos realizados por colegas de la Universidad de Innsbruck. con quien los investigadores de la ETH publicaron su trabajo.

Acercándose a un límite mágico

Con su último experimento, los investigadores se están acercando a un límite mágico:la temperatura a la que las nanopartículas pasan a lo que se conoce como el estado fundamental cuántico. Si esto se alcanzara, permitiría realizar experimentos cuánticos con objetos relativamente grandes por primera vez; por ejemplo, sería posible investigar cómo se comporta una cuenta de vidrio si se superponen dos estados cuánticos diferentes.

Sin embargo, se necesitará mucho trabajo para llegar a ese punto. "Nuestras temperaturas siguen siendo demasiado altas en un factor de más de 100, ", dice Windey." Tenemos que ralentizar la cuenta mucho más si queremos alcanzar el estado fundamental cuántico ". Esto ahora debería ser posible utilizando un sistema aún más sofisticado en el que los investigadores aplican una segunda jaula de fotones, esencialmente implementando dos -Sistema de enfriamiento de escenario.

Fuente inesperada de perturbación

Por supuesto, esto volverá a implicar un esfuerzo considerablemente mayor. "El sistema es extremadamente sensible, "explica Windey. Incluso la más mínima perturbación cambia la distancia entre los espejos. Como resultado, la partícula ya no se enfría sino que se calienta, y ya no se puede sostener con las pinzas ópticas, de vuelta al punto de partida, en otras palabras. "Desde el principio, tuvimos que lidiar con vibraciones inesperadas, "dice Windey". Entonces, Descubrimos que debido al tráfico nuestro edificio de laboratorio en el Hönggerberg se mueve hacia adelante y hacia atrás en 4 micrómetros durante el día. Esto significaba que teníamos que realizar nuestras mediciones por la noche ".

Aunque la gran sensibilidad del equipo de medición todavía dificulta la vida de los investigadores, podría haber una aplicación práctica de precisamente este factor. "El sistema podría usarse para construir un acelerómetro extremadamente sensible, "dice Windey." Y una vez que tenemos la partícula en el estado cuántico, podremos determinar las deflexiones con mayor precisión ".