Nanočastice zachytili lasermi do svetelných pascí. Rozptýlené svetlo využili aj na vzájomnú interakciu častíc a synchronizáciu ich pohybu.
Optická pasca umožňuje bezkontaktne zachytiť a manipulovať s časticami v rôznom prostredí prostredníctvom svetla laserov. Na obrázku je jedna častica zachytená vo vákuu v zelenom laserovom zväzku. Zdroj: Ústav prístrojovej techniky AV ČR
Ďalší technologický rast ľudstva budú s vysokou pravdepodobnosťou určovať kvantové technológie. Jeden z ich smerov využíva unikátne vlastnosti vzájomne interagujúcich kvantových objektov, ktoré sú však maximálne izolované od okolitého prostredia. Výskumný tím z Ústavu prístrojovej techniky Akadémie vied Českej republiky (AV ČR) vyvinul originálne metódy, ako také podmienky vytvoriť s dvoma nanočasticami levitujúcimi v optických pasciach. Výsledky výskumu uverejnili v časopisoch Optica a Nature Communications.
Búrlivý rozvoj nanotechnológií v predchádzajúcich dvadsiatich rokoch už narazil na hranice platnosti klasickej fyziky a ďalší technologický krok využíva najmä zákony kvantovej fyziky. Príkladom takých kvantových technológií sú kvantové počítače, simulátory, ultracitlivé senzory či ultrapresné atómové hodiny.
Jeden z rozvíjajúcich sa smerov využíva jednotlivé kvantové častice (atómy, ióny, molekuly i relatívne veľké nanoobjekty zložené z miliárd atómov), ktoré spolu interagujú a súčasne sú zachytené v priestore s využitím rôznych typov pascí vrátane laserových.
Vákuum je lepšie než kvapalina
Doteraz sa väčšina experimentov so silovými účinkami svetla robila v kvapaline, v tomto prípade však zachytený objekt intenzívne interaguje s molekulami okolitej kvapaliny. S rozvojom kvantových technológií sa pozornosť popredných svetových laboratórií obracia k experimentom, v ktorých sú objekty (nanočastice, atómy, molekuly či zdroje jednotlivých fotónov) umiestnené vo vysokom vákuu a interagujú s okolím len fotónmi alebo elektrickými či magnetickými poľami.
„Objekty sú tu veľmi účinne izolované od vplyvu okolitého prostredia a správajú sa ako veľmi slabo tlmený oscilátor. Jeho energiu možno svetlom odoberať, a tak sa experimentálne približovať k makroskopickej realizácii mechanického kvantového oscilátora,“ vysvetlil vedúci výskumného tímu Oto Brzobohatý z Ústavu prístrojovej techniky AV ČR.
„Silne fokusovaný laserový lúč funguje ako takzvaná optická pasca, ktorá pomocou svetla mikroskopické objekty (od nanočastíc po živé bunky) v priestore drží a umožňuje s nimi manipulovať.“
Oto Brzobohatý
Pasca aj brána do kvantového sveta
Silové účinky svetla brnianski vedci využili dvojakým spôsobom. Jednak nanočastice zachytili lasermi do svetelných pascí, jednak rozptýlené svetlo využili na vzájomnú interakciu častíc a synchronizáciu ich pohybu.
„Častice rozptyľujú dopadajúce svetlo, a tým menia smer prúdu fotónov. Vhodná zmena hybnosti fotónov vytvorí optickú pascu, kde je častica zachytená, ale taktiež nasmeruje rozptýlené fotóny k druhej častici a vytvorí medzi nimi takzvanú optickú väzbu. Častica sa potom správa podľa toho, ako „cíti“ pohyb druhej častice. Tento trik umožňuje synchronizovať pohyb nanočastíc, ale zároveň ich spoločne brzdiť a znižovať amplitúdu ich kmitov a približovať ich kvantovému svetu,“ uviedol Pavel Zemánek, vedúci výskumného oddelenia Mikrofotonika z Ústavu prístrojovej techniky AV ČR.
Vedci touto metódou dosiahli hodnoty efektívnej teploty okolo 200 milikelvinov, čo je o tri rády menej, než je pokojová teplota (300 kelvinov). Pri ďalšom schladení sa už výraznejšie prejavuje kvantová povaha pohybu častíc.
Nasledujúce aktivity (financované i v novom výskumnom projekte Operačného programu JAK „Kvantové technológie a nanotechnológie“) sa zamerajú na zachytenie, chladenie a kvantovú interakciu rôznych fyzikálnych objektov (napríklad iónov a nanočastíc) s cieľom testovať nové, hybridné typy hradiel pre kvantové počítače, ktoré odstránia obmedzenia súčasných platforiem s jedným druhom objektov (napríklad iónov).
Zdroj: AV ČR
(zh)
