Os pesquisadores usaram um dispositivo de nanoescala de orientação de luz (estrutura azul) para medir e controlar a posição de uma nanopartícula (borrão branco) em uma armadilha óptica (luz vermelha). Isso é possível porque a luz guiada na cavidade do cristal fotônico é influenciada pelo movimento da partícula. Crédito:Lorenzo Magrini, Universidade de viena
Os pesquisadores desenvolveram um novo dispositivo que pode medir e controlar uma nanopartícula presa em um feixe de laser com sensibilidade sem precedentes. A nova tecnologia pode ajudar os cientistas a estudar o movimento de uma partícula macroscópica com resolução subatômica, uma escala governada pelas regras da mecânica quântica em vez da física clássica.
Os pesquisadores da Universidade de Viena, na Áustria, e da Delft University of Technology, na Holanda, relatam seu novo dispositivo em Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto. Embora a abordagem tenha sido usada com átomos presos, a equipe é a primeira a usá-lo para medir com precisão o movimento de uma nanopartícula opticamente presa feita de bilhões de átomos.
"A longo prazo, este tipo de dispositivo pode nos ajudar a entender os materiais em nanoescala e suas interações com o ambiente em um nível fundamental, ", disse o líder da equipe de pesquisa Markus Aspelmeyer, da Universidade de Viena." Isso pode levar a novas maneiras de adaptar materiais, explorando seus recursos em nanoescala.
"Estamos trabalhando para melhorar o dispositivo para aumentar nossa sensibilidade atual em quatro ordens de magnitude, "Aspelmeyer continuou." Isso nos permitiria usar a interação da cavidade com a partícula para sondar ou mesmo controlar o estado quântico da partícula, que é o nosso objetivo final. "
Fazendo pequenas medidas
O novo método usa um dispositivo de nanoescala guiador de luz chamado cavidade de cristal fotônico para monitorar a posição de uma nanopartícula levitando em uma armadilha óptica tradicional. O trapping óptico usa um feixe de laser focalizado para exercer uma força sobre um objeto para mantê-lo no lugar. A técnica foi reconhecida pela atribuição do Prêmio Nobel de Física 2018 à pioneira, Arthur Ashkin.
"Sabemos que as leis da física quântica se aplicam à escala dos átomos e à escala das moléculas, mas não sabemos o quão grande um objeto pode ser e ainda exibir fenômenos da física quântica, "disse Aspelmeyer." Ao capturar uma nanopartícula e acoplá-la a uma cavidade de cristal fotônico, podemos isolar um objeto que é maior do que átomos ou moléculas e estudar seus comportamentos quânticos. "
O novo dispositivo atinge um alto nível de sensibilidade ao usar uma longa cavidade de cristal fotônico que é mais estreita do que o comprimento de onda da luz. Isso significa que quando a luz entra e viaja pela cavidade em nanoescala, parte dele vaza e forma o que é chamado de campo evanescente. O campo evanescente muda quando um objeto é colocado perto do cristal fotônico, que por sua vez muda a forma como a luz se propaga através do cristal fotônico de uma forma mensurável.
"Ao examinar como a luz no cristal fotônico muda em resposta à nanopartícula, podemos deduzir a posição da nanopartícula ao longo do tempo com resolução muito alta, "disse Lorenzo Magrini, primeiro autor do artigo.
Coletando cada fóton
O novo dispositivo detecta quase todos os fótons que interagem com a nanopartícula presa. Isso não apenas ajuda a atingir uma sensibilidade extremamente alta, mas também significa que a nova abordagem usa muito menos potência óptica em comparação com outros métodos nos quais a maioria dos fótons é perdida.
Sob condições de vácuo, os pesquisadores demonstraram, para cada fóton detectado, uma sensibilidade duas ordens de magnitude maior do que os métodos convencionais para medir o deslocamento de nanopartículas em uma armadilha óptica. Eles também relatam que a força da interação entre a partícula e o campo evanescente da cavidade foi três ordens de magnitude maior do que o que foi relatado anteriormente. Uma interação mais forte significa que a cavidade fotônica pode detectar mais informações sobre o movimento da partícula.
Semelhante a vários outros grupos de pesquisa em todo o mundo, os pesquisadores estão trabalhando para obter medições quânticas. Eles agora estão melhorando sua configuração e trabalhando para aumentar substancialmente a sensibilidade do dispositivo. Isso permitiria que as medições fossem realizadas em condições de vácuo mais fortes que aumentam o isolamento de uma partícula do ambiente. Além de estudar mecânica quântica, o novo dispositivo poderia ser usado para medir com precisão a aceleração e outras forças que podem surgir em escalas microscópicas de comprimento.