Nanoparticelle raffreddate in un doppio pacchetto
I ricercatori dell'ETH hanno sviluppato un metodo per raffreddare simultaneamente diverse nanoparticelle a una temperatura di pochi millesimi di grado superiore allo zero assoluto. Con questo nuovo metodo è possibile studiare gli effetti quantistici di diverse nanoparticelle e costruire sensori altamente sensibili.
Negli ultimi quarant'anni la fisica ha imparato a raffreddare oggetti sempre più grandi a temperature prossime allo zero assoluto: Atomi, molecole e, più recentemente, nanoparticelle, composte da miliardi di atomi. Mentre gli atomi possono essere raffreddati solo con la luce laser, in precedenza le nanoparticelle dovevano essere caricate elettricamente e manipolate con campi elettrici per ottenere un raffreddamento ottimale. Un team di ricercatori dell'ETH, guidato dal professore Lukas Novotny del Dipartimento di ingegneria elettrotecnica e dell'informazione, ha ora sviluppato un metodo che permette di catturare diverse nanoparticelle indipendentemente dalla loro carica elettrica e di raffreddarle a pochi milli-Kelvin. Ciò apre un'ampia gamma di possibilità per lo studio dei fenomeni quantistici su tali particelle o per la costruzione di sensori altamente sensibili.
Raffreddamento di particelle neutre
"Nel nostro gruppo di ricerca, negli ultimi dieci anni abbiamo perfezionato il raffreddamento di singole nanoparticelle caricate elettricamente", spiega Jayadev Vijayan, ricercatore post-dottorando nel laboratorio di Novotny e primo autore dell'articolo appena pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology. "Con il nuovo metodo, che funziona anche per oggetti elettricamente neutri, possiamo raffreddare per la prima volta più particelle contemporaneamente, aprendo così prospettive di ricerca completamente nuove".
Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno catturato una perlina di vetro delle dimensioni di poco meno di 200 nanometri in un apparecchio sotto vuoto utilizzando un raggio laser altamente focalizzato, noto anche come pinzetta ottica. La perlina oscilla avanti e indietro nella pinzetta ottica grazie alla sua energia cinetica. Più alta è la temperatura della particella, maggiore è la sua energia cinetica e quindi l'ampiezza dell'oscillazione. La forza e la direzione dell'oscillazione della perlina nella pinzetta ottica in un determinato momento possono essere misurate con un rilevatore di luce che cattura la luce laser diffusa dalla perlina.
Decelerazione per scuotimento
Novotny e i suoi collaboratori utilizzano queste informazioni per rallentare la nanoparticella e quindi raffreddarla. A tal fine, le pinzette ottiche vengono scosse nella direzione esattamente opposta all'oscillazione della perla mediante un deflettore controllato elettronicamente, che cambia leggermente la direzione del raggio laser e quindi la posizione delle pinzette. Se si sposta a sinistra, le pinzette vengono rapidamente spostate a destra per contrastare il movimento della perlina; se si sposta a destra, il deflettore sposta le pinzette a sinistra. Questo riduce gradualmente l'ampiezza di oscillazione della nanoparticella e quindi la sua temperatura effettiva, fino a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto, a -273,15 gradi Celsius.
I ricercatori utilizzano un trucco per raffreddare due nanoparticelle contemporaneamente. Le due pinzette ottiche in cui catturano le perle sono regolate in modo che le frequenze di oscillazione delle particelle siano leggermente diverse. In questo modo è possibile distinguere i movimenti delle due perle con lo stesso rilevatore di luce e applicare separatamente le strategie di raffreddamento alle due pinzette.
Estensione a più nanoparticelle
Questo raffreddamento simultaneo può essere facilmente esteso a più nanoparticelle", spiega Vijayan: "Poiché abbiamo un controllo completo sulle posizioni delle particelle, possiamo regolare l'interazione tra di esse come desiderato e quindi studiare in futuro gli effetti quantistici di più particelle, come l'entanglement"."Nello stato di entanglement, una misurazione su una particella influenza istantaneamente lo stato quantistico dell'altra, senza che le due particelle siano in contatto diretto. Finora questi stati sono stati realizzati principalmente con fotoni o singoli atomi. Vijayan spera di poter un giorno utilizzare il nuovo metodo per creare stati entangled con nanoparticelle molto più grandi.
Il fatto che le nanoparticelle possano essere elettricamente neutre presenta ulteriori vantaggi, ad esempio nello sviluppo di sensori estremamente sensibili. Quando si misurano forze gravitazionali molto deboli tra oggetti o nella ricerca di ipotetica materia oscura, l'obiettivo è quello di eliminare il più possibile altre forze, che di solito sono forze elettrostatiche tra particelle cariche. Il metodo dei ricercatori dell'ETH promette quindi nuove intuizioni anche in questo caso.
Letteratura di riferimento
Vijayan J, Zhang Z, Piotrowski J, Windey D, van der Laan F, Frimmer M, Novotny L: Smorzamento freddo scalabile e completamente ottico di nanoparticelle levitate. Nature Nanotechnology, 21 novembre 2022. doi: pagina esterna10.1038/s41565-022-01254-6