I ricercatori dell'ETH hanno raffreddato una nanoparticella a una temperatura record, grazie a un sofisticato apparato sperimentale che utilizza la luce laser diffusa per il raffreddamento. Fino ad ora, nessuno ha mai raffreddato una nanoparticella a temperature così basse in una gabbia di fotoni. Dominik Windey e René Reimann – dottorando e postdoc nel gruppo guidato da Lukas Novotny, Professore di Fotonica – sono riusciti a raffreddare una perla di vetro di 140 nanometri fino a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto.

I ricercatori hanno recentemente pubblicato i dettagli del loro lavoro sulla rivista Lettere di revisione fisica . La loro svolta è arrivata sotto forma di un sofisticato allestimento sperimentale che coinvolgeva pinzette ottiche, per cui una nanoparticella può essere fatta levitare con l'ausilio di un raggio laser. Il gruppo ha già utilizzato le stesse pinzette ottiche in lavori precedenti, in cui hanno fatto ruotare una nanoparticella attorno al proprio asse a velocità estremamente elevata.

Una linea sottile

Gli scienziati hanno ora integrato le pinzette ottiche con una gabbia di fotoni disposta perpendicolarmente ad essa. Questa gabbia è composta da due specchi altamente riflettenti, la cui posizione i ricercatori possono adattarsi entro pochi miliardesimi di millimetro.

Questa precisa regolazione è fondamentale, poiché la particella disperde parte della luce laser e gli scienziati possono utilizzare la distanza tra gli specchi per controllare quale tipo di luce viene dispersa. "Possiamo regolare gli specchi per disperdere più luce con una frequenza leggermente superiore rispetto alla luce laser primaria, " spiega Windey. "Poiché la luce a frequenza più alta è anche più alta in energia, i fotoni assorbono energia dalla nanoparticella durante lo scattering." In altre parole, se lo specchio è regolato correttamente, la pallina di vetro perde energia continuamente e la sua ampiezza di oscillazione diventa sempre più piccola:si raffredda.

"La caratteristica chiave della nostra configurazione sperimentale è che l'oscillazione della particella non solo diventa più piccola in una direzione, ma in tutte e tre le dimensioni, ", afferma Windey. "Questo non è possibile con altri allestimenti sperimentali trovati in letteratura relativi alle nanoparticelle in gabbie fotoniche." Il fatto che il raffreddamento avvenga in tre dimensioni è stato confermato da calcoli teorici eseguiti dai colleghi dell'Università di Innsbruck, con cui i ricercatori dell'ETH hanno pubblicato il loro lavoro.

Avvicinarsi a un limite magico

Con il loro ultimo esperimento, i ricercatori si stanno avvicinando a un limite magico:la temperatura alla quale le nanoparticelle passano in quello che è noto come stato fondamentale quantistico. Se questo fosse raggiunto, consentirebbe per la prima volta di eseguire esperimenti quantistici con oggetti relativamente grandi; Per esempio, sarebbe possibile indagare come si comporta una perla di vetro se si sovrappongono due diversi stati quantistici.

Però, ci vorrà molto lavoro per arrivare a quel punto. "Le nostre temperature sono ancora troppo alte di un fattore superiore a 100, " dice Windey. "Dobbiamo rallentare molto di più il tallone se vogliamo raggiungere lo stato fondamentale quantistico." Questo dovrebbe ora essere possibile utilizzando un sistema ancora più sofisticato in cui i ricercatori applicano una seconda gabbia di fotoni, implementando essenzialmente un due sistema di raffreddamento a più stadi.

Fonte di disturbo imprevista

Certo, questo richiederà ancora una volta uno sforzo considerevolmente maggiore. "Il sistema è estremamente sensibile, " spiega Windey. Anche il più piccolo disturbo sposta la distanza tra gli specchi. Di conseguenza, la particella non viene più raffreddata ma piuttosto riscaldata, e non può più essere tenuto nelle pinzette ottiche - torna al punto di partenza, in altre parole. "Fin dall'inizio, abbiamo dovuto fare i conti con vibrazioni inaspettate, " dice Windey. "Allora, abbiamo scoperto che a causa del traffico il nostro edificio del laboratorio sull'Hönggerberg si sposta avanti e indietro di 4 micrometri durante il giorno. Ciò significava che dovevamo effettuare le nostre misurazioni di notte".

Sebbene l'assoluta sensibilità dell'apparecchiatura di misurazione renda ancora la vita difficile ai ricercatori, potrebbe esserci un'applicazione pratica proprio di questo fattore. "Il sistema potrebbe essere utilizzato per costruire un accelerometro estremamente sensibile, " dice Windey. "E una volta che abbiamo la particella nello stato quantico, saremo in grado di determinare le deviazioni in modo ancora più accurato."