I ricercatori hanno sviluppato un nuovo dispositivo in grado di misurare e controllare una nanoparticella intrappolata in un raggio laser con una sensibilità senza precedenti. La nuova tecnologia potrebbe aiutare gli scienziati a studiare il movimento di una particella macroscopica con risoluzione subatomica, una scala governata dalle regole della meccanica quantistica piuttosto che dalla fisica classica.

I ricercatori dell'Università di Vienna in Austria e della Delft University of Technology nei Paesi Bassi segnalano il loro nuovo dispositivo in ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto. Sebbene l'approccio sia stato utilizzato con atomi intrappolati, il team è il primo ad usarlo per misurare con precisione il movimento di una nanoparticella otticamente intrappolata composta da miliardi di atomi.

"A lungo termine, questo tipo di dispositivo potrebbe aiutarci a comprendere i materiali su scala nanometrica e le loro interazioni con l'ambiente a un livello fondamentale, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Markus Aspelmeyer dell'Università di Vienna. "Questo potrebbe portare a nuovi modi di personalizzare i materiali sfruttando le loro caratteristiche su scala nanometrica.

"Stiamo lavorando per migliorare il dispositivo per aumentare la nostra attuale sensibilità di quattro ordini di grandezza, " Ha continuato Aspelmeyer. "Questo ci consentirebbe di utilizzare l'interazione della cavità con la particella per sondare o addirittura controllare lo stato quantistico della particella, che è il nostro obiettivo finale".

Fare piccole misurazioni

Il nuovo metodo utilizza un dispositivo su nanoscala che guida la luce chiamato cavità a cristalli fotonici per monitorare la posizione di una nanoparticella che levita in una trappola ottica tradizionale. L'intrappolamento ottico utilizza un raggio laser focalizzato per esercitare una forza su un oggetto per tenerlo in posizione. La tecnica è stata riconosciuta dall'assegnazione del Premio Nobel per la Fisica 2018 a pioniere, Arthur Ashkin.

"Sappiamo che le leggi della fisica quantistica si applicano alla scala degli atomi e alla scala delle molecole, ma non sappiamo quanto può essere grande un oggetto e ancora esibisce fenomeni di fisica quantistica, ", ha detto Aspelmeyer. "Intrappolando una nanoparticella e accoppiandola a una cavità di cristallo fotonico, possiamo isolare un oggetto più grande di atomi o molecole e studiarne i comportamenti quantistici".

Il nuovo dispositivo raggiunge un alto livello di sensibilità utilizzando una lunga cavità di cristalli fotonici che è più stretta della lunghezza d'onda della luce. Ciò significa che quando la luce entra e viaggia lungo la cavità su scala nanometrica, una parte fuoriesce e forma quello che viene chiamato un campo evanescente. Il campo evanescente cambia quando un oggetto viene posizionato vicino al cristallo fotonico, che a sua volta cambia il modo in cui la luce si propaga attraverso il cristallo fotonico in modo misurabile.

"Esaminando come la luce nel cristallo fotonico cambia in risposta alla nanoparticella, possiamo dedurre la posizione della nanoparticella nel tempo con una risoluzione molto elevata, " disse Lorenzo Magrini, primo autore del saggio.

Raccogliendo ogni fotone

Il nuovo dispositivo rileva quasi tutti i fotoni che interagiscono con la nanoparticella intrappolata. Ciò non solo aiuta a raggiungere una sensibilità estremamente elevata, ma significa anche che il nuovo approccio utilizza molta meno potenza ottica rispetto ad altri metodi in cui la maggior parte dei fotoni viene persa.

In condizioni di vuoto, i ricercatori hanno dimostrato, per ogni fotone rilevato, una sensibilità di due ordini di grandezza superiore rispetto ai metodi convenzionali per misurare lo spostamento di nanoparticelle in una trappola ottica. Riferiscono anche che la forza dell'interazione tra la particella e il campo evanescente della cavità era di tre ordini di grandezza superiore a quanto riportato in precedenza. Un'interazione più forte significa che la cavità fotonica può rilevare più informazioni sul movimento della particella.

Come molti altri gruppi di ricerca in tutto il mondo, i ricercatori stanno lavorando per ottenere misurazioni quantistiche. Ora stanno migliorando la loro configurazione e stanno lavorando per aumentare sostanzialmente la sensibilità del dispositivo. Ciò consentirebbe di eseguire misurazioni in condizioni di vuoto più forti che aumentano l'isolamento di una particella dall'ambiente. Oltre allo studio della meccanica quantistica, il nuovo dispositivo potrebbe essere utilizzato per misurare con precisione l'accelerazione e altre forze che potrebbero sorgere in scale di lunghezza microscopiche.