Feedback cooling of a levitated nanoparticle in a radially polarized vector beam trap

Negli angoli silenziosi della fisica moderna, gli scienziati stanno cercando di fare qualcosa che suona quasi impossibile: stanno cercando di congelare un minuscolo granello di polvere finché non smette completamente di muoversi. Questo granello non è solo fermo; è sospeso in aria, sostenuto da un fascio di luce, e l'obiettivo è raffreddare il suo moto fino allo stato di energia più basso consentito dalle leggi della natura. Per capire perché questo sia importante, bisogna prima comprendere che anche quando un oggetto appare perfettamente immobile, i suoi atomi vibrano per via del calore. Se si potesse fermare quel tremolio, si raggiungerebbe uno stato in cui l'oggetto si comporta meno come una roccia solida e più come un'onda, rivelando le strane e sfumate regole della meccanica quantistica. Questa è la frontiera della fisica quantistica, dove i ricercatori sperano di testare i limiti stessi della realtà, esplorando forse anche il modo in cui la gravità funziona alle scale più piccole. Per arrivarci, devono intrappolare questi minuscoli oggetti senza toccarli e poi rimuovere ogni briciolo di energia termica, un compito reso difficile dal fatto che la stessa luce utilizzata per sostenerli tende anche a riscaldarli.

Un team di ricercatori dell'University College London ha compiuto un passo significativo verso la risoluzione di questo enigma, intrappolando una nanoparticella di silice, una sfera di vetro con un raggio di soli 78 nanometri, utilizzando un tipo speciale di fascio di luce. Invece dello standard fascio di luce uniforme solitamente usato per questi esperimenti, hanno utilizzato un "fascio vettoriale radiale". Immaginate un fascio di luce in cui la direzione del campo elettrico punta verso l'esterno dal centro in tutte le direzioni, come i raggi di una ruota o i raggi di un soleggiante. Quando questo specifico fascio viene focalizzato strettamente da una lente di alta qualità, crea un punto focale più piccolo e nitido rispetto a quanto possa produrre un fascio convenzionale. Questo fuoco più stretto crea un "pozzo di potenziale" più ripido, ovvero la ciotola invisibile di luce che tiene in posizione la particella. I ricercatori hanno scoperto che questa ciotola più nitida permette di tenere la particella in modo più sicuro e potenzialmente riduce la quantità di calore generata quando le particelle di luce rimbalzano sull'oggetto, un problema noto come riscaldamento da rinculo.

L'esperimento si è svolto in una camera ad alto vuoto, dove la pressione dell'aria è stata ridotta a un livello tale che non rimangono quasi molecole di gas, garantendo che la particella non venga colpita da molecole d'aria vaganti. I ricercatori hanno caricato una singola nanoparticella di silice in questa trappola e poi hanno iniziato il processo di raffreddamento. Hanno utilizzato una tecnica chiamata raffreddamento a feedback, che funziona come un sistema di frenata ad alta velocità. I sensori monitoravano costantemente la posizione della particella mentre oscillava nella trappola. Un sistema informatico calcolava quanto velocemente si muoveva la particella e, in tempo reale, applicava una contro-forza utilizzando campi elettrici per rallentarla. Questo processo, noto come smorzamento a freddo (cold damping), drena efficacemente l'energia dal moto della particella, proprio come una mano che preme su una ruota che gira per portarla al fermo.

I risultati hanno mostrato che questo metodo ha funzionato in modo straordinario. I ricercatori sono stati in grado di raffreddare il moto della nanoparticella a temperature nell'ordine dei millikelvin, che sono solo pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto. Nello specifico, hanno misurato la temperatura del movimento della particella lungo una direzione essere di circa 32 millikelvin e lungo un'altra direzione di circa 73 millikelvin. Queste temperature sono incredibilmente basse, portando la particella molto più vicina al suo stato fondamentale quantistico rispetto a quanto mai visto in questo tipo di configurazione. Tuttavia, l'esperimento ha rivelato anche un comportamento inaspettato. Mentre i movimenti principali della particella sono stati raffreddati con successo, i ricercatori hanno notato delle vibrazioni secondarie più piccole che non erano state completamente soppresse. Queste vibrazioni extra erano causate dalla forma complessa e non lineare della trappola di luce stessa. Poiché la trappola non è una ciotola perfetta e liscia, crea ulteriori e più piccole sacche di forza che causano la vibrazione della particella in modi più complicati. Il team ha confermato attraverso simulazioni al computer che queste vibrazioni extra sono un risultato naturale della forma unica del fascio vettoriale radiale.

Lo studio ha anche esaminato cosa accade quando la particella intrappolata non è una sfera perfetta. Se la particella è leggermente ovale o irregolare, tende ad allinearsi con la direzione della polarizzazione della luce. I ricercatori hanno osservato che queste particelle non sferiche ruotano o "librano" attorno al loro asse, in modo simile a come un trottola potrebbe oscillare mentre rallenta. Hanno scoperto che queste particelle dalle forme insolite erano meno stabili nella trappola, spesso sfuggendo alla stessa ad pressioni più elevate. Questa osservazione evidenzia una sfida pratica per i futuri esperimenti: per raggiungere le temperature più fredde possibili, le particelle utilizzate devono essere il più uniformi e sferiche possibile.

In definitiva, questo lavoro dimostra che l'uso della luce strutturata, specificamente dei fasci vettoriali radiali, è una via percorribile e promettente per i futuri esperimenti quantistici. I ricercatori hanno dimostrato che le stesse tecniche utilizzate per le trappole di luce standard possono essere adattate a questi fasci più complessi per rilevare e raffreddare il moto efficacemente. Sebbene l'attuale esperimento non abbia raggiunto lo stato fondamentale quantistico assoluto, ha provato che le proprietà uniche di questi fasci possono creare trappole più strette con meno riscaldamento, un requisito cruciale per la prossima generazione di sensori quantistici. La presenza delle vibrazioni extra suggerisce che, sebbene la trappola sia potente, è anche complessa, e il lavoro futuro dovrà concentrarsi sul raffreddamento di tutte le direzioni del moto simultaneamente per domare completamente questi effetti. Questa non è una soluzione definitiva, ma una chiara dimostrazione che gli strumenti esistono per spingere i confini di quanto possiamo rendere freddo e immobile il mondo microscopico.