Левитация на чипе: прорыв ETH Zurich в управлении наночастицами

Научные сотрудники ETH Zurich продемонстрировали уникальную платформу для левитации и управления движением частиц в вакууме. В статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology , они представили гибридный фотонно-электрический чип, обеспечивающий устойчивую левитацию, точное обнаружение положения и динамическое управление частицей кремнезёма в вакууме.

Левитация микроскопических объектов в вакууме и управление их движением, будучи впервые продемонстрированными несколько десятилетий назад, значительно продвинулись благодаря новейшим разработкам. Хотя большинство экспериментов проводились с использованием оптических технологий, некоторые исследовательские группы начали применять гибридные платформы, сочетающие методы атомной физики. Эти платформы открывают новые возможности, такие как измерение сил и крутящего момента или точное ускорение.

Исследователи ETH Zurich показали, что их экспериментальная платформа позволяет не только надежно левитировать частицы, но и точно определять их положение и динамически управлять ими. "Левитация в вакууме, изолируя объекты от окружающей среды и обеспечивая их точное управление, превратилась в универсальную технику, которая уже принесла пользу многим научным направлениям, от сенсоров силы и термодинамики до материаловедения и химии," отметили Бруно Мело, Марк Т. Куарэн и их коллеги в своей работе. "Она также обещает значительный прогресс в изучении квантовой механики в неизведанных макроскопических режимах."

Несмотря на последние достижения, большинство методов вакуумной левитации остаются сложными и требуют громоздкого оборудования, что ограничивает их практическое применение. Поэтому некоторые исследователи стремятся миниатюризировать платформы для левитации, используя электростатические и оптические ловушки. Однако эти подходы не обеспечивали достаточной устойчивости левитации для применения в компактных устройствах, таких как криостаты и портативные приборы.

Мело, Куарэн и их коллеги предложили новый гибридный фотонно-электрический чип, обеспечивающий устойчивую левитацию и динамическое управление частицей без необходимости использования громоздких оптических приборов. "Мы продемонстрировали левитацию и управление движением частицы кремнезёма в высоком вакууме на поверхности гибридного оптического-электростатического чипа," пишут исследователи. "Комбинируя оптическую ловушку на основе волокна и чувствительное обнаружение положения с холодным демпфированием через планарные электроды, мы охладили движение частицы до нескольких сотен фононов."

В первых тестах платформа показала впечатляющие результаты, сопоставимые с другими методами, использующими громоздкое оптическое оборудование. При сочетании с планарными электродами для активного обратного охлаждения учёные смогли дополнительно охладить частицу кремнезёма и уменьшить её движение в трёх измерениях.

Новый подход к левитации и контролю движения частиц на чипе, представленный командой ETH Zurich, может открыть новые возможности для исследований в области квантовой механики и разработки технологий. В следующих исследованиях Мело, Куарэн и их коллеги планируют продолжить улучшение своей платформы, например, с использованием рефракционных микролинз для повышения чувствительности обнаружения и интеграции более сложных оптических элементов, таких как волоконные резонаторы.

"Мы видим нашу полностью интегрированную платформу как отправную точку для создания чипов, сочетающих интегрированную фотонику и нанофотонику с точно разработанными электрическими потенциалами, что позволит улучшить контроль над движением частиц и подготовку к сложным состояниям," отметили исследователи.