I ricercatori hanno sviluppato un metodo per raffreddare simultaneamente diverse nanoparticelle a temperature di pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto. Con questo nuovo metodo è possibile studiare gli effetti quantistici di più nanoparticelle e costruire sensori altamente sensibili.
Negli ultimi quarant’anni, i fisici hanno imparato a raffreddare oggetti sempre più grandi a temperature prossime allo zero assoluto: Atomi, molecole e, più recentemente, nanoparticelle, costituite da miliardi di atomi. Mentre gli atomi possono essere raffreddati solo con l’aiuto della luce laser, in precedenza le nanoparticelle dovevano essere caricate elettricamente e manipolate con campi elettrici per ottenere un raffreddamento ottimale. Un team di ricercatori guidati dal professor Lukas Novotny del Dipartimento di Tecnologia dell’Informazione e Ingegneria Elettrica ha ora sviluppato un metodo per intrappolare più nanoparticelle indipendentemente dalla loro carica elettrica e raffreddarle a pochi milli-Kelvin. Ciò apre un’ampia gamma di possibilità per lo studio dei fenomeni quantistici su tali particelle o per la costruzione di sensori altamente sensibili.
Raffreddamento delle particelle neutre
"Nel nostro gruppo di ricerca, negli ultimi dieci anni abbiamo perfezionato il raffreddamento di singole nanoparticelle caricate elettricamente", spiega Jayadev Vijayan, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Novotny e primo autore dell’articolo appena pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology. "Con il nuovo metodo, che funziona anche per gli oggetti elettricamente neutri, possiamo ora raffreddare per la prima volta anche più particelle contemporaneamente, aprendo così prospettive di ricerca completamente nuove."
Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno catturato una perlina di vetro di poco meno di 200 nanometri in un apparecchio a vuoto con l’aiuto di un raggio laser fortemente focalizzato, noto anche come pinzetta ottica. Nelle pinzette ottiche, la perlina oscilla avanti e indietro grazie alla sua energia cinetica. Più alta è la temperatura della particella, più alta è la sua energia cinetica e quindi l’ampiezza dell’oscillazione. La forza e la direzione dell’oscillazione della perla nella pinzetta ottica in un determinato momento possono essere misurate con un rilevatore di luce che cattura la luce laser diffusa dalla perla.
Rallentamento tramite scuotimento
Novotny e i suoi colleghi utilizzano poi queste informazioni per rallentare la nanoparticella e quindi raffreddarla. A tal fine, le pinzette ottiche vengono scosse per mezzo di un deflettore controllato elettronicamente, che modifica leggermente la direzione del raggio laser e quindi la posizione delle pinzette, esattamente in opposizione all’oscillazione della perlina. Se si sposta a sinistra, le pinzette vengono rapidamente spostate a destra per contrastare il movimento della perlina; se si sposta a destra, il deflettore sposta le pinzette a sinistra. Gradualmente, l’ampiezza di oscillazione della nanoparticella e quindi la sua temperatura effettiva si riducono, fino a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto di -273,15 gradi Celsius.
Per raffreddare due nanoparticelle contemporaneamente, i ricercatori utilizzano un trucco. Le due pinzette ottiche in cui catturano le perle sono regolate in modo che le frequenze di oscillazione delle particelle siano leggermente diverse. In questo modo è possibile distinguere i movimenti delle due perle l’uno dall’altro con lo stesso rilevatore di luce e applicare le strategie di raffreddamento separatamente alle due pinzette.
Estensione a più nanoparticelle
"Questo raffreddamento simultaneo può essere facilmente esteso a diverse nanoparticelle", spiega Vijayan: "Poiché controlliamo completamente le posizioni delle particelle, possiamo regolare arbitrariamente l’interazione tra di esse e quindi studiare in futuro gli effetti quantistici di diverse particelle, come l’entanglement". Finora tali stati sono stati realizzati principalmente con fotoni o singoli atomi. Vijayan spera di poter un giorno utilizzare il nuovo metodo per creare stati entangled anche con nanoparticelle molto più grandi.
Il fatto che le nanoparticelle possano essere elettricamente neutre presenta altri vantaggi, tra cui lo sviluppo di sensori estremamente sensibili. Quando si misurano forze gravitazionali molto deboli tra oggetti o nella ricerca di ipotetica materia oscura, si vuole eliminare il più possibile altre forze - e queste sono per lo più forze elettrostatiche tra particelle cariche. Il metodo dei ricercatori promette quindi nuove intuizioni anche in questo caso.
Riferimenti
Vijayan J, Zhang Z, Piotrowski J, Windey D, van der Laan F, Frimmer M, Novotny L: Smorzamento freddo scalabile e completamente ottico di nanoparticelle levitate. Nature Nanotechnology, 21 novembre 2022. doi: pagina esterna 10.1038/s41565’022 -01254-6.
