Частицы размером от 10 до 100 нанометров называются мезоскопическими. Их размеры занимают промежуточное положение между квантовым и классическим мирами. Это значит, что при обычных условиях такие нанокристаллы ведут себя как классические броуновские частицы: постоянно движутся и сталкиваются между собой. Но, если уменьшить их кинетическую энергию и, соответственно, скорость и температуру, они смогут перейти в квантовое состояние. Такого эффекта можно добиться с помощью оптического охлаждения.
Физики из Университета ИТМО исследовали оптическое охлаждение мезоскопических нанокристаллов с ионами иттербия. Ионы этого элемента поглощают фотоны от лазерного источника света и переизлучают фотоны с большей энергией. При этом ионы иттербия заимствуют часть кинетической энергии нанокристалла, поэтому при каждом столкновении с фотоном она уменьшается.
«Нам тяжело идти против ветра, потому что он толкает нас в обратную сторону. То же самое происходит с нанокристаллом, только вместо ветра – фотоны, ‒ объясняет Юрий Рождественский, профессор кафедры оптической физики и современного естествознания (ОФиСЕ) Университета ИТМО. ‒ Если в нанокристалл попадает много фотонов, он теряет всю кинетическую энергию и останавливается. Этот процесс и называется оптическим охлаждением».
Чтобы охлаждение было эффективным, нужно дольше минуты облучать нанокристалл фотонами. Все это время нанокристалл должен находиться в одном положении. Чтобы этого добиться, физики сконструировали специальную радиочастотную ловушку. Семен Рудый, ведущий автор статьи, рассказал, как она работает.
«Нанокристалл обладает электрическим зарядом, поэтому в постоянном электрическом поле он будет двигаться к одному из полюсов, – описывает работу ловушки ведущий автор статьи Семен Рудый. – Но ловушка генерирует переменное поле. Его полярность все время меняется, и нанокристалл вынужден менять направление движения вслед за ней. Мы можем подобрать параметры поля и время переключения так, что нанокристалл будет практически “стоять” на месте».
Ученые также сконструировали радиочастотную ловушку, которая позволяет удерживать частицу очень долго при небольшой силе воздействия. Это дает ей преимущество перед другими методами локализации частиц, такими как оптический пинцет.
«В оптическом пинцете частица удерживается сфокусированным лазерным лучом, ‒ говорит Иван Костерной, студент кафедры ОФиСЕ, один из конструкторов ловушки. ‒ Это довольно дорогой метод, но он не позволяет удерживать частицу достаточно долго, чтобы эффективно ее охладить и изучить ее свойства».
Разработанная система позволяет охладить нанокристалл до температуры 10-8 К. Это в 10 миллиардов раз меньше комнатной температуры и соответствует квантовому пределу.
«В таких условиях нанокристалл способен перейти в квантовое состояние. Он начинает вести себя как атом или ион, ‒ поясняет Татьяна Вовк, студентка кафедры ОФиСЕ. ‒ Такие объекты очень интересны для фундаментальной науки, они помогают лучше исследовать динамику квантовых объектов и другие эффекты».
В дальнейшем ученые намерены исследовать биологические объекты и органические молекулы с помощью радиочастотных ловушек.
«Мы хотим провести эксперименты с ДНК или с целой клеткой. Оптическое охлаждение таких объектов открывает возможности для фундаментального исследования живой материи. Для этого нужны новые типы радиочастотных ловушек, и мы активно занимаемся их разработкой», – делится планами заведующий кафедрой ОФиСЕ Университета ИТМО Андрей Иванов.
Статья: Deep laser cooling of rare-earth-doped nanocrystals in a radio-frequency trap. S. S. Rudyi, T. A. Vovk et al. Journal of the Optical Society of America B Nov. 3, 2017.
