Симпатическое охлаждение левитирующих частиц оказалось чувствительно к давлению

Европейские физики проверили, как работает симпатическое охлаждение при взаимодействии двух оптически левитирующих микрочастиц. Оказалось, что его эффективность сильно зависит от давления окружающего воздуха. Таким способом удалось добиться субкельвиновой температуры. Исследование опубликовано в Optica.

Оптические пинцеты хороши своей универсальностью. Они могут захватывать объекты в широком диапазоне размеров, начиная от атомов и заканчивая частицами диаметром десятки микрометров. В последнем случае говорят об оптической левитации микрочастиц. Ее используют для различных технических задач, начиная от создания сенсоров и заканчивая квантовым моделированием.

И хотя микрочастицы много больше, чем атомы и молекулы, движение их центра масс в потенциале ловушки все еще ощутимо мешает точности некоторых экспериментов. Поскольку это дополнительная степень свободы, она характеризуется температурой, поэтому перед учеными стоит задача научится охлаждать такие частицы. Это не так просто сделать, поскольку отвод энергии от частицы должен быть совместным с ее изоляцией от окружающей среды. Поэтому физики активно адаптируют к частицам методы охлаждения, которые помогают снизить температуры холодных атомных газов.

Один из таких методов — это симпатическое охлаждение, то есть охлаждение смешиванием. Его суть в том, что одна, более холодная система (газ или частица) каким-либо контролируемым образом взаимодействует с более горячей, которую требуется охладить. Взаимодействие способствует перераспределению энергий, после чего системы разделяют.

Применить симпатическое охлаждение к оптически левитирующим частицам решили Ёсихико Арита (Yoshihiko Arita) из Сент-Эндрюсского университета и его коллеги из Англии и Чехии. Для этого они подвешивали две микрочастицы в двух соседних оптических пинцетах, причем взаимодействие между частицами было обусловлено рассеянным светом. Для того, чтобы проверить, как работает симпатическая связь, одна из частиц дополнительно подвергалась охлаждению с параметрической обратной связью. В этом методе жесткость ловушки испытывает модуляцию во времени с некоторой частотой, которая резонансно переводит колебание частицы в более низкое состояние.

Частицы, использованные в эксперименте, представляли собой микросферы из фатерита, радиусом 2,2 микрометра. Непрерывный лазер с длиной волны 1070 нанометров и круговой поляризацией подвешивал их на расстоянии 9,8 микрометра. Физики пропускали луч для одного их пинцетов через акустооптический дефлектор, который запускал параметрическое охлаждение.

Для измерения температуры ученые оптически измеряли спектральную плотность мощности, связанную с движением центра масс. Реальная температура частицы была пропорциональна площади под соответствующей кривой. Поскольку точной связи между механическими и термодинамическими величинами у физиков не было, они нормировали измеряемую температуру относительно площади, получающейся при комнатной температуре.

Исследование показало, что эффективность как параметрического, так и симпатического охлаждений зависит от давления окружающего воздуха. Пока оно превышало 0,1 миллибар, передача энергии происходила слабо. Однако, после понижения давления ниже порога температуры обеих частиц эффективно уменьшались. Самая низкая температура, зафиксированная авторами, были ниже одного кельвина. Авторы полагают, что это не предел, поскольку их эксперимент можно продолжить для более низких давлений и шумов.

Ранее мы рассказывали, как симпатическому охлаждению подвергли одиночный протон. Для этого физики связали его с лазерно-охлажденными ионами бериллия с помощью сверхпроводящего колебательного контура.

Марат Хамадеев