Làm mát các hạt nano đồng thời độc lập với điện tích của chúng

Làm mát các hạt nano đồng thời độc lập với điện tích của chúng

    Làm mát các hạt nano đồng thời độc lập với điện tích của chúng

    Nhíp có thể lập trình để bẫy nhiều hạt. Ảnh: Công nghệ nano tự nhiên (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01254-6

    Twin pack of cooled nanoparticles
    Trong bốn mươi năm qua, các nhà vật lý đã học cách làm nguội các vật thể ngày càng lớn xuống nhiệt độ gần bằng độ không tuyệt đối: nguyên tử, phân tử và gần đây hơn là các hạt nano bao gồm hàng tỷ nguyên tử. Trong khi người ta có thể làm nguội các nguyên tử chỉ bằng ánh sáng laze, thì cho đến nay các hạt nano cần phải có điện tích và phải được điều khiển bằng điện trường để làm nguội tối ưu.

    Một nhóm các nhà nghiên cứu ETH do Giáo sư Lukas Novotny dẫn đầu tại Khoa Công nghệ thông tin và Kỹ thuật điện hiện đã phát triển một kỹ thuật bẫy và làm mát một số hạt nano độc lập với điện tích của chúng xuống còn vài millikelvin. Điều này mở ra nhiều khả năng khác nhau để nghiên cứu các hiện tượng lượng tử của các hạt như vậy hoặc chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao.

    Làm mát các hạt trung tính

    Jayadev Vijayan, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Novotny và là tác giả chính của bài báo được xuất bản gần đây trên tạp chí khoa học Nature Nanotechnology, cho biết: "Trong nhóm nghiên cứu của mình, chúng tôi đã hoàn thiện việc làm mát các hạt nano tích điện đơn lẻ trong mười năm qua". "Với phương pháp mới, cũng hoạt động với các vật thể trung hòa về điện, lần đầu tiên chúng ta cũng có thể bẫy một số hạt đồng thời, điều này mở ra những triển vọng hoàn toàn mới cho nghiên cứu."

    Trong các thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đã bẫy một quả cầu thủy tinh nhỏ có kích thước nhỏ hơn 200 nanomet một chút bằng cách sử dụng chùm tia laze hội tụ mạnh, còn được gọi là nhíp quang học, bên trong một thiết bị chân không. Bên trong nhíp quang học, quả cầu dao động qua lại do năng lượng chuyển động của nó.

    Nhiệt độ của hạt càng cao thì năng lượng chuyển động của nó càng lớn và do đó biên độ dao động càng lớn. Có thể đo mức độ mạnh và hướng của quả cầu dao động bên trong nhíp quang học tại một thời điểm nhất định bằng cách sử dụng máy dò ánh sáng, thiết bị này sẽ thu nhận ánh sáng laze do quả cầu tán xạ.


    Sử dụng chùm tia laze hội tụ (màu đỏ), các nhà nghiên cứu ETH làm lạnh hai quả cầu thủy tinh xuống nhiệt độ cực thấp. Tín dụng: ETH Zürich / Vijayan Jayadev
    Làm chậm lại bằng cách lắc

    Sau đó, Novotny và cộng sự của ông sử dụng thông tin đó để làm chậm hạt nano và do đó, làm nguội nó. Điều này đạt được bằng cách lắc nhíp quang học theo đúng nghĩa ngược lại với dao động của quả cầu bằng cách sử dụng bộ làm lệch hướng điều khiển điện tử làm thay đổi một chút hướng của chùm tia laze và do đó làm thay đổi vị trí của nhíp.

    Khi quả cầu di chuyển sang trái, nhíp nhanh chóng dịch chuyển sang phải để chống lại chuyển động của quả cầu; khi nó di chuyển sang phải, bộ làm lệch hướng sẽ dịch chuyển nhíp sang trái. Bằng cách này, biên độ dao động và do đó nhiệt độ hiệu dụng của nó giảm dần—đến tận vài phần nghìn độ so với độ không tuyệt đối là -273,15 độ C.

    Để làm mát hai hạt nano cùng lúc, các nhà nghiên cứu sử dụng một thủ thuật. Nhíp quang học trong đó chúng bẫy các quả cầu được điều chỉnh sao cho tần số dao động của các hạt hơi khác nhau. Theo cách đó, chuyển động của hai quả cầu có thể được phân biệt bằng cách sử dụng cùng một máy dò ánh sáng và các chiến lược làm mát có thể được áp dụng riêng cho hai nhíp.

    Mở rộng quy mô lên đến một số hạt nano

    Vijayan giải thích: “Việc làm mát đồng thời có thể được mở rộng trực tiếp đến một số hạt nano. "Vì chúng ta có toàn quyền kiểm soát vị trí của các hạt nên chúng ta có thể tùy ý điều chỉnh các tương tác giữa chúng; theo cách đó, trong tương lai chúng ta có thể nghiên cứu các hiệu ứng lượng tử của một số hạt, chẳng hạn như sự vướng víu."

    Ở trạng thái vướng víu, một phép đo trên một hạt sẽ ảnh hưởng tức thời đến trạng thái lượng tử của hạt kia mà không có bất kỳ sự tiếp xúc trực tiếp nào giữa hai hạt. Cho đến nay những trạng thái như vậy chủ yếu được thực hiện với các photon hoặc các nguyên tử đơn lẻ. Vijayan hy vọng rằng một ngày nào đó anh cũng có thể tạo ra các trạng thái vướng víu với các hạt nano lớn hơn nhiều.

    Thực tế là các hạt nano có thể trung hòa về điện còn có nhiều lợi thế hơn nữa, chẳng hạn như đối với việc phát triển các cảm biến cực nhạy. Khi đo lực hấp dẫn rất yếu giữa các vật thể hoặc tìm kiếm vật chất tối giả định, người ta muốn loại bỏ các lực khác càng nhiều càng tốt—và thông thường nhất, đó là lực tĩnh điện giữa các hạt tích điện. Phương pháp do các nhà nghiên cứu ETH phát triển cũng hứa hẹn những hiểu biết mới trong các lĩnh vực đó.

    Zalo
    Hotline