متن خبر

تاریخ خبر : ۱۳۹۸/۰۲/۰۹

تعداد بازدید : ۲۲۶

تعداد رای : ۱

خنک شدنِ نانوذرات با استفاده از پراکندگی نور

پژوهش‌گران با استفاده از خنک‌سازی کاواکیِ سه‌بعدی توانسته‌اند به کمترین رکورد دمایی در مورد نانوذرات شناور دست یابند؛ این نتیجه بواسطه‌ی نور پراکنده شده از نانوذرات حاصل شده است.

 

توانایی کنترل ذرات کوچک با انبرک‌ها و دیگر ابزارهای اپتیکی، پیشرفت‌های بسیاری را در زیست‌شناسی، شیمی فیزیک و فیزیک اتمی، مولکولی و اپتیکی بوجود آورده است. به عنوان بخشی از این روند پژوهش‌گران راه‌هایی را برای «خنک‌سازی» نانوذراتِ بدام افتاده با کاهش دادن دامنه‌ی حرکت‌شان در درون تله توسعه داده‌اند. با این وجود برای رسیدن به حد کوانتومی (وقتی حرکت غالباً در نتیجه‌ی افت‌وخیزهای کوانتومی است) پژوهش‌های زیادتری باید انجام شود. یک روش جدید (که توسط دو تیم مستقل توسعه یافته) این عمل خنک‌سازی را با استفاده از پراکندگی نور از یک نانوذره که در یک کاواک اپتیکی نگه داشته شده، گام دیگری جلو برده‌اند. هردوی این آزمایش‌های خنک‌سازی یک کاواک سه‌بعدی را بدست داده‌اند درحالی‌که آزمایش اول بر روی یک بعد متمرکز بوده است.

 

یک میکروذره یا نانوذره در خلاء بخوبی از محیط حرارتی قابل جداسازی است شرایطی که برای انجام اندازه‌گیری‌های دقیق عالی است. دو روش اصلی برای خنک‌سازی حرکت یک ذره‌ی دی‌الکتریک معلق، خنک‌سازی بازخوردی و خنک‌سازی کاواکی است. محققان در خنک‌سازی بازخوردی بطور پیوسته بر حرکت ذره‌ی دی‌الکتریک با استفاده از آشکارسازهای نوری نظارت می‌کنند و از این داده‌ها برای دستکاری بسامدهای تله‌ای یا نیروهای اعمالی به نانوذره که موجب کندشدن حرکت آن می‌شود، استفاده می‌کنند. خنک‌سازی بازخوردی قادر بوده است تا حرکت نانوذره را تا کمتر از ۱ میلی‌کلوین کاهش دهد اما اکنون به دلیل آشکارسازی ناکارآمدِ حرکتِ ذره، محدودیت دارد. در خنک‌سازی کاواکی حرکت یه نانوذره بسامد فوتون‌های کاواک را تحت تاثیر قرار می‌دهد. زیرا این فوتون‌ها در کاواک طول‌عمر بالایی داشته و می‌توانند حرکت یک نانوذره را در زمان‌های دیگر تحت تاثیر قرار دهند که یک بازخورد اتوماتیک را فراهم می‌کند.

 

دو تیم پژوهشی برای رسیدن به خنک‌سازی سه بعدی کارآمد، یکی به رهبری مارکوس اسپیلمایر ( Markus Aspelmeyer) از دانشگاه وین و دیگری به رهبری رنه ریمان (René Reimann) از موسسه فدرال سوئیس (ETH) در زوریخ از پراکندگی نورِ همدوس برای تحقق بخشیدن به خنک‌سازی کاواکی حرکت مرکز جرم یک نانوذره‌ی معلق استفاده کرده‌اند. پژوهش‌گران در هرکدام از این مجموعه‌ آزمایش‌ها از یک انبرک اپتیکی مستقل استفاده کرده‌اند تا یک ذره‌ی سیلیکای به قطر حدود ۱۴۰ نانومتر را در درون یک کاواک اپتیکی به دام بیاندازند. چون انبرک اپتیکی بشدت متمرکز شده است، شدتش بسیار بیشتر از شدت مد کاواک است و بدام اندازیِ پایدار نانوذره در خلاء بالا را ممکن می‌سازد. این تیم توانسته موقعیت نانوذره را با دقت چند نانومتر در راستای محور کاواک کنترل کند.

 

این محققان به منظور خنک‌سازی، بسامد تشدید کاواک اپتیکی را اندکی بالاتر (حدود ۴۰۰ کیلوهرتز) از بسامد اپتیکی لیزر بدام اندازنده تنظیم کرده‌اند. این تنظیم‌سازی، پراکندگی فوتونها از نانوذرات را تحت تاثیر قرار می‌دهد. فوتون‌ها معمولاً مثل توپ‌های پینگ‌پونگ بصورت اتفاقی از نانوذرات منحرف و یا منعکس شده و به نانوذرات اندازه‌حرکت می‌بخشند و آن‌ها را به شکل موثری گرم می‌کنند. با این حال این کاواک با انتخاب آنکه کدام فوتون‌ها می‌توانند پراکنده شوند، مانع این حرارت‌دهی می شود. اساساً آن فوتون‌هایی پراکنده می‌شوند که از نانوذره، پس‌زده شده و مقداری از انرژی ارتعاشی مکانیکی آن‌ها را می‌دزدند! این عمل دزدی!، بسامد فوتون را ارتقا می‌دهد طوری‌که با بسامد تشدید کاواک انطباق پیدا می‌کند. اثر خالص این پراکندگی همدوس که از طریق کاواک صورت می‌گیرد به کاهش در انرژی جنبشی نانوذره منجر می‌شود.

 

هردوی این تیم‌ها بر حرکت نانوذره نظارت کرده‌اند این کار با استفاده از آشکارسازی تغییر جزئی در جهت انتشار لیزر بدام‌اندازنده صورت گرفته است. این آزمایش‌ها یک کندشدگی در سه بعد را نشان داده و اثبات کرده است که پراکندگی همدوس یک روش خنک‌سازیِ موثر سه‌بعدی کاواکیِ یک نانوذره‌ی معلق است. در آزمایش زوریخ، حرکت یک نانوذره تا یک دمای کمینه چند میکروکلوینی در فشار میلی‌بار سرد شده است. در آزمایش وین حرکت نانوذره تا دمای حدود ۱ کلوین در فشارمیلی‌بار پایین آورده شده است.

 

هرچند هردوی این پژوهش‌ها در توسعه‌ی اپتومکانیکِ معلق مهم هستند، حرکت‌های نانوذرات هنوز در رژیم کلاسیک قرار دارند. نتایج این خنک‌سازی‌ها به دلیل حرارت‌دهی از مولکول‌های محیط پیرامونی و افت‌وخیزهای مکانی انبرک اپتیکی محدودیت دارد. طی ده سال گذشته شاهد توسعه‌ی سریع در زمینه‌ی اپتومکانیک بوده‌ایم و انتظار پژوهش‌های پرباری در این زمینه و در آینده را داریم.

 

نتایج این پژوهش در مجله Physical Review Letters به چاپ رسیده است. برای مشاهده کامل این پژوهش، لینک مقاله را کلیک نمایید.

نظرات

پاسخ به نظــر بازگشت به حالت عادی ثبت نظر

نـــام
ایمیل
نظر شما
کارکترهایی که در تصویر می بینید را وارد نمایید. (حساس به حروف کوچک و بزرگ)