Quando una particella è completamente isolata dal suo ambiente, le leggi della fisica quantistica iniziano a svolgere un ruolo cruciale. Un requisito importante per vedere gli effetti quantistici è rimuovere tutta l'energia termica dal movimento delle particelle, cioè per raffreddarlo il più vicino possibile alla temperatura dello zero assoluto. Ricercatori dell'Università di Vienna, l'Accademia austriaca delle scienze e il Massachusetts Institute of Technology (MIT) sono ora un passo più vicini al raggiungimento di questo obiettivo dimostrando un nuovo metodo per raffreddare le nanoparticelle levitate. Ora pubblicano i loro risultati sulla rinomata rivista Lettere di revisione fisica .

I raggi laser strettamente focalizzati possono agire come "pinzette" ottiche per intrappolare e manipolare piccoli oggetti, dalle particelle di vetro alle cellule viventi. Lo sviluppo di questo metodo ha fatto guadagnare ad Arthur Ashkin il premio Nobel per la fisica dell'anno scorso. Mentre la maggior parte degli esperimenti finora sono stati condotti in aria o liquidi, c'è un crescente interesse per l'utilizzo di pinzette ottiche per intrappolare oggetti nel vuoto ultra-alto:tali particelle isolate non solo mostrano prestazioni di rilevamento senza precedenti, ma può essere utilizzato anche per studiare i processi fondamentali dei motori termici nanoscopici, o fenomeni quantistici che coinvolgono grandi masse.

Un elemento chiave in questi sforzi di ricerca è ottenere il pieno controllo sul movimento delle particelle, idealmente in un regime in cui le leggi della fisica quantistica ne dominano il comportamento. I precedenti tentativi di raggiungere questo obiettivo, hanno modulato la stessa pinzetta ottica, o immerso la particella in ulteriori campi di luce tra configurazioni di specchi altamente riflettenti, cioè cavità ottiche.

Però, il rumore laser e le grandi intensità laser richieste hanno posto un limite sostanziale a questi metodi. "Il nostro nuovo schema di raffreddamento è preso direttamente in prestito dalla comunità della fisica atomica, dove esistono sfide simili per il controllo quantistico", dice Uros Delic, autore principale del recente studio pubblicato su Lettere di revisione fisica dai ricercatori dell'Università di Vienna, l'Accademia austriaca delle scienze e il Massachusetts Institute of Technology (MIT), che era guidato da Markus Aspelmeyer. L'idea risale ai primi lavori del fisico di Innsbruck Helmut Ritsch e dei fisici statunitensi Vladan Vuletic e Steve Chu, i quali si sono resi conto che è sufficiente utilizzare la luce che viene diffusa direttamente dalla pinzetta ottica stessa se la particella viene conservata all'interno di una cavità ottica inizialmente vuota.

Una nanoparticella in una pinzetta ottica disperde una piccola parte della luce della pinzetta in quasi tutte le direzioni. Se la particella è posizionata all'interno di una cavità ottica, una parte della luce diffusa può essere immagazzinata tra i suoi specchi. Di conseguenza, i fotoni sono preferibilmente dispersi nella cavità ottica. Però, questo è possibile solo per la luce di colori specifici, o detto diversamente, energie fotoniche specifiche. Se usiamo la luce di una pinzetta di un colore che corrisponde a un'energia fotonica leggermente inferiore a quella richiesta, le nanoparticelle "sacrificheranno" parte della loro energia cinetica per consentire la diffusione dei fotoni nella cavità ottica. Questa perdita di energia cinetica raffredda efficacemente il suo movimento. Il metodo è stato dimostrato in precedenza per gli atomi da Vladan Vuletic, coautore di questo lavoro. Questo è, però, la prima volta è stato applicato a nanoparticelle e utilizzato per raffreddare in tutte e tre le direzioni di movimento.

"Il nostro metodo di raffreddamento è molto più potente di tutti gli schemi precedentemente dimostrati. Senza i vincoli imposti dal rumore laser e dalla potenza del laser, il comportamento quantistico delle nanoparticelle levitate dovrebbe essere dietro l'angolo", dice Delic.