Localized efficient in-vacuum loading of $\sim$0.1-10 $\mu$m spherical and plate-like particles into optical traps using a pulled glass capillary

本文介绍了一种紧凑型压电驱动微吸管发射器，能够将多种纳米和微米颗粒高效、局部地输送至真空环境中的各种光阱构型，其捕获效率高达 93%。

要点

想象一下，你正试图在真空室内的光束中捕捉一颗悬浮的、肉眼不可见的微小大理石。这就是“悬浮光力学”的世界，科学家们在此捕获微观粒子以研究物理定律。但问题在于：最初将这些微小大理石（粒子）送入光束的过程极其困难。如果你只是将它们撒入，它们会四处飞散，大多数会偏离目标；如果你使用过多，又会堵塞系统。

本文介绍了一种新颖巧妙的工具来解决这一问题：一种压电微吸管发射器。你可以将其想象为一种高科技、超精密的“灰尘摇动器”。

问题所在：“洒水器”与“吸管”

此前，科学家们尝试通过摇动覆盖有灰尘的平板玻璃来装载这些粒子。想象一下，试图通过摇动一盘沙子来击中墙上的某个特定点：沙子会以一片宽阔而杂乱的云状四处飞散。许多粒子会击中错误的地方，或者以过快的速度击中目标，随即从陷阱中弹开。

解决方案：“吸管”发射器

研究团队制造了一种装置，使用拉制玻璃毛细管（本质上是一根极细的玻璃吸管）连接到一个压电管（一种通电后会产生振动的材料）。

• 类比：与其摇动一个平板托盘，不如想象你手持一根装满沙子的吸管。如果你振动这根吸管，沙子会从尖端以紧密、集中的射流喷出，就像一根微型水管。
• 机制：玻璃尖端极其微小（约有人类头发丝宽）。科学家们将此尖端粘在一个振动电机上。当他们启动电机时，尖端剧烈抖动，将粒子从吸管中发射出去。由于吸管非常狭窄，粒子以笔直、集中的线条射出，而非杂乱的云团。

他们做了什么

研究人员用不同类型的微小物体测试了这种“吸管”发射器：

• 玻璃珠（二氧化硅球体），尺寸范围从病毒大小（170 纳米）到尘埃颗粒（3 微米）。
• 六棱柱（微小晶体），外观如同扁平的六边形铅笔。
• 钻石（纳米金刚石），纯净且极其微小。

他们将玻璃吸管的尖端放置在“光陷阱”（光镊）上方仅几毫米处。由于吸管距离极近且射流高度集中，粒子直接落入陷阱中。

结果：一场高分游戏

团队测量了每次发射发射器时成功捕获粒子的频率。

• 得分：他们实现了93% 的成功率。这意味着，如果他们发射粒子 100 次，其中 93 次会有粒子被光陷阱捕获。
• 对比：此前使用平板的方法效率要低得多（大约低 10 倍），因为粒子向过多方向飞散。
• 精度：粒子流如此紧密，以至于形成了一个开口角度小于 10 度的圆锥体。这就像在几英尺外投掷飞镖几乎每次都能命中靶心，而不是扔出一把飞镖并指望其中一支能扎中。

为何这很重要（根据论文所述）

论文强调了这种“吸管”方法的几个关键优势：

1. 局部化：你不会用灰尘污染整个真空室。粒子会精确地到达你希望它们去的地方。
2. 高效：即使你只有极少量的粒子，也能捕获它们。在一次测试中，他们仅在吸管中装载了 10 万个晶体，却仍捕获了许多。而以往的方法需要数十亿个粒子才能有效工作。
3. 通用性：它适用于不同形状（球体和扁平棱柱）和不同材料（玻璃、钻石、晶体）。
4. 真空友好：该装置可在真空室内工作，这意味着科学家无需打破真空即可重新装载粒子。这对于需要长时间不间断运行的实验至关重要。

核心结论

作者创造了一种紧凑可靠的“粒子炮”，利用振动的玻璃吸管将微小物体直接射入光陷阱。它将一场混乱且成功率低的“捕捉灰尘”游戏，转变为一场精准且高成功率的行动，使科学家能够以更少的浪费和更大的便利性研究这些微小粒子。

技术摘要

技术摘要：纳米与微米颗粒在光学陷阱中的局部高效真空内装载

问题陈述
悬浮光力学领域需要可靠的方法，将纳米和微米颗粒装载到真空环境内的光学陷阱中。尽管存在多种技术——如雾化器、激光诱导声学解吸（LIAD）、空心光纤传输以及平板压电振动——但每种技术在真空兼容性、颗粒速度控制和材料效率方面均存在局限性。具体而言，平板压电方法由于基底与陷阱之间的距离较大，常导致颗粒显著发散，且需要大量颗粒才能实现成功装载。此外，非真空兼容的方法需要打破真空以重新装载，这对于需要重复颗粒投放的实验（如物质波干涉或加热研究）是有害的。因此，亟需一种装载机制，该机制需具备真空兼容性、可适应低温环境、能够以低质心速度输送颗粒，并且效率足够高，以适用于稀缺或昂贵的颗粒样品。

方法论
作者开发了一种紧凑的压电驱动微量移液管发射器，专为局部真空内输送而设计。该装置由一根拉制的玻璃毛细管（尖端直径约 30 µm）粘合在下铝板上构成，该铝板安装在压电管致动器（Thorlabs PT49LM）上。该组件的设计旨在最小化质量，以最大化共振频率和加速度。

• 操作：压电管在其机械共振频率附近（约 183–193 kHz）被正弦驱动，使毛细管尖端振荡。这种运动克服了静摩擦力，将颗粒从毛细管尖端发射至光学陷阱。
• 颗粒制备：采用了两种制备方法：(1) 将二氧化硅球体的胶体悬浮液粉碎成粉末并装入毛细管；(2) 制备珍贵颗粒（如$\beta$-NaYF 六方棱柱、纳米金刚石）的异丙醇溶液，并通过毛细作用在蒸发前将其装入。
• 表征：该装置在多种光学陷阱构型中进行了测试，包括单光束陷阱、非干涉双光束陷阱和驻波双光束陷阱。性能通过测量峰值加速度、发射颗粒的角度分布以及相对于陷阱高度的垂直捕获轮廓进行表征。

主要贡献

1. 局部输送：通过使用具有锐利尖端（10–30 µm）的拉制玻璃毛细管，该装置将颗粒定位在距离光学陷阱显著更近的位置（毫米级），而平板方法则为厘米级。这减少了下落距离，从而产生更低的终端速度，更容易被光学陷阱捕获。
2. 低材料用量下的高效率：该方法实现了高捕获效率（高达 93%），同时所需的颗粒数量比以往的压电平板方法少几个数量级。作者成功使用仅约$10^5$个$\beta$-NaYF 六方棱柱捕获了颗粒，而以往技术通常需要$10^9$–$10^{12}$个颗粒。
3. 通用性：该系统成功捕获了广泛范围的颗粒尺寸（100 nm 至 3 µm）、形状（球体和六方棱柱）和材料（二氧化硅、纳米金刚石和$\beta$-NaYF）。
4. 真空与低温兼容性：该设计允许压电致动器在辐射屏蔽外的室温下运行，而毛细管则延伸至低温真空区域，便于集成到低温和超高真空（UHV）装置中。

结果

• 捕获效率：在双反向传播光学陷阱中，当移液管尖端位于陷阱上方约 4 mm 处时，该装置对 300 nm 二氧化硅球体的捕获效率达到了 93%。与以往在类似距离下的平板方法相比，这代表了一个数量级的改进。
• 角度分布：发射的颗粒通量被发现高度局部化，限制在开口角小于 10 度的圆锥内（在两个轴上分别测得约为$4.6^\circ$和$8.8^\circ$）。这种狭窄的分布确保了高比例的颗粒通过可捕获区域。
• 垂直捕获轮廓：使用$\beta$-NaYF 六方棱柱进行的实验表明，在 0.55 mm 至 2.75 mm 的发射高度范围内具有广泛的有效工作范围，峰值捕获率出现在约 2 mm 处。在某些装置中，在高达 1 cm 的距离处也观察到了捕获现象。
• 颗粒类型：成功演示了对以下颗粒的捕获：
  • 二氧化硅球体：直径 170 nm、300 nm 和 3 µm。
  • $\beta$-NaYF 六方棱柱：直径 6 µm × 厚度 0.2 µm。
  • 高纯度纳米金刚石：直径约 100 nm。
• 局限性：作者指出，直径接近 10 µm 的尖端倾向于被颗粒堵塞，而 30 µm 的尖端则工作稳健。此外，300 nm 二氧化硅测试中的高效率部分归因于颗粒团聚体的发射；优化制备过程（例如超声处理）可以提高单颗粒比例。

意义与展望
该论文声称，这种微量移液管发射器为需要在真空中重复、可控地装载颗粒且无需打破密封的实验带来了重大进步。其局部通量和紧凑的几何结构使其适用于物质波干涉、量子传感以及加热机制或陷阱稳定性研究等应用。作者指出，该方法对于涉及稀缺或昂贵材料的实验特别有价值，因为它最大限度地减少了浪费。作者提出的未来工作包括优化负载质量以提高共振频率和加速度，改进制备技术以减少团聚体，将方法扩展到功能化或生物颗粒，以及在磁陷阱和保罗陷阱中测试该装置。作者还指出了其在质谱、电子显微镜和行星科学尘埃物理学中的潜在应用。