Os pesquisadores da ETH resfriaram uma nanopartícula a uma temperatura baixa recorde, graças a uma configuração experimental sofisticada que usa luz laser espalhada para resfriamento. Até agora, ninguém jamais resfriou uma nanopartícula a temperaturas tão baixas em uma gaiola de fótons. Dominik Windey e René Reimann - estudante de doutorado e pós-doutorado no grupo liderado por Lukas Novotny, Professor de fotônica - conseguiram resfriar uma esfera de vidro de 140 nanômetros a alguns milésimos de grau acima do zero absoluto.

Os pesquisadores publicaram recentemente detalhes de seu trabalho na revista. Cartas de revisão física . Sua descoberta veio na forma de uma configuração experimental sofisticada envolvendo pinças ópticas, em que uma nanopartícula pode ser feita para levitar com a ajuda de um feixe de laser. O grupo já usou a mesma pinça óptica em trabalhos anteriores, em que eles fizeram uma nanopartícula girar em torno de seu próprio eixo em velocidade extremamente alta.

Uma linha legal

Os cientistas agora complementaram as pinças ópticas com uma gaiola de fótons disposta perpendicularmente a ela. Esta gaiola consiste em dois espelhos altamente refletivos, cuja posição os pesquisadores podem ajustar para alguns bilionésimos de milímetro.

Este ajuste preciso é crucial, já que a partícula espalha parte da luz do laser e os cientistas podem usar a distância entre os espelhos para controlar que tipo de luz é espalhada. "Podemos ajustar os espelhos para espalhar mais luz com uma frequência ligeiramente mais alta do que a luz laser primária, "explica Windey." Como a luz de alta frequência também tem maior energia, os fótons absorvem energia da nanopartícula durante o espalhamento. "Em outras palavras, se o espelho estiver ajustado corretamente, a conta de vidro perde energia continuamente e sua amplitude de oscilação torna-se cada vez menor:ela esfria.

"A principal característica da nossa configuração experimental é que a oscilação da partícula não apenas se torna menor em uma direção, mas em todas as três dimensões, "diz Windey." Isso não é possível com outras configurações experimentais encontradas na literatura relacionadas a nanopartículas em gaiolas de fótons. "O fato de que o resfriamento ocorre em três dimensões foi confirmado por cálculos teóricos realizados por colegas da Universidade de Innsbruck, com quem os pesquisadores da ETH publicaram seus trabalhos.

Aproximando-se de um limite mágico

Com seu último experimento, os pesquisadores estão se aproximando de um limite mágico:a temperatura na qual as nanopartículas passam para o que é conhecido como estado fundamental quântico. Se isso fosse alcançado, permitiria que experimentos quânticos fossem realizados com objetos relativamente grandes pela primeira vez; por exemplo, seria possível investigar como uma conta de vidro se comporta se dois estados quânticos diferentes forem sobrepostos.

Contudo, vai dar muito trabalho chegar a esse ponto. "Nossas temperaturas ainda são muito altas por um fator de mais de 100, ", diz Windey." Temos que desacelerar o grânulo muito mais se quisermos atingir o estado fundamental quântico. "Isso agora deve ser possível usando um sistema ainda mais sofisticado no qual os pesquisadores aplicam uma segunda gaiola de fótons - essencialmente implementando um sistema de resfriamento de estágio.

Fonte inesperada de perturbação

Claro, mais uma vez, isso envolverá um esforço consideravelmente maior. "O sistema é extremamente sensível, "explica Windey. Mesmo a menor perturbação muda a distância entre os espelhos. Como resultado, a partícula não é mais resfriada, mas sim aquecida, e não pode mais ser mantido na pinça óptica - de volta à estaca zero, em outras palavras. "Desde o início, tivemos que lidar com vibrações inesperadas, "diz Windey." Então, descobrimos que, devido ao tráfego, nosso prédio de laboratório em Hönggerberg se move para frente e para trás 4 micrômetros durante o dia. Isso significava que tínhamos que realizar nossas medições à noite. "

Embora a sensibilidade absoluta do equipamento de medição ainda torne a vida difícil para os pesquisadores, poderia haver uma aplicação prática precisamente desse fator. "O sistema poderia ser usado para construir um acelerômetro extremamente sensível, "diz Windey." E uma vez que temos a partícula no estado quântico, seremos capazes de determinar as deflexões com ainda mais precisão. "