光学镊子抓住了超流氦

日本科学家首次展示了如何使用光镊捕获超流氦中的纳米颗粒。他们的技术可以为研究人员提供一种研究量子世界和经典世界边界的新方法。相关报道发表在《Optica》上。

图1，日本研究人员使用脉冲激光（绿色）将纳米颗粒从目标中喷射出，并使用连续波激光（红色）将其保持在焦点处，从而将纳米颗粒捕获在超流氦中。

克服热脆性

光镊是高度聚焦的激光束，用于夹持和操纵微小物体，包括原子、液滴和活细胞。但是，迄今为止，考虑到所需的高数值孔径透镜的热脆弱性，在低温下操作它们可能会产生对奇异量子现象的洞察，但研究证明这是困难的。

在最新的工作中，日本大阪大学的 Masaaki Ashida 及其同事展示了如何通过将模制非球面透镜整合到一个称为比色皿的小玻璃容器的壁中来克服这个问题，他们将该容器浸入1.4 K的液氦样品中， 比以前光学捕获大约低两个数量级。

为了将纳米粒子释放到氦中，研究人员向比色皿内壁的目标发射纳秒激光脉冲。该目标由包裹在盖玻片上的现成金纳米颗粒或一块烧结的半导体氧化锌组成，纳米颗粒由其原位产生的。

光学镊子本身是使用第二个激光器形成的，该激光器产生与第一个激光器成直角定向并指向非球面透镜的线性偏振连续波光束。这在试管内产生了一个紧密的焦点，即纳米粒子被固定的点。

确定粒度

为了确定在超流氦中是否可以实现光捕获，研究人员计算了沿镊子轴施加的力。整合这个量，他们发现应该存在一个势能最小值，因此有可能捕获直径约为10纳米的粒子，但不会太大。正如他们指出，将粒子拉向激光焦点的光学偶极子力与粒子大小的三次方成比例，而将粒子推开的瑞利散射则以六次方为标度。

然后，研究人员将他们的计算结果与不同温度下稳定光捕获所需的势能深度进行了比较——最小阈值发生在 10 kBT。在此基础上，他们得出结论，任何大小的颗粒都不会经历足够深的电位，以承受室温下的热冲击。但是在液氦温度为 1.4 K 时，对于直径在10 nm到77 nm之间的所有金颗粒，以及直径在10 nm到120 nm之间的氧化锌颗粒，都应进行捕集。

在进行实验时，Ashida 和同事发现，他们确实能够使用光镊将纳米颗粒固定在适当位置至少半小时，从而稳定地捕获纳米颗粒。由于散射了大量的光，他们能够对被捕获的粒子进行成像，并确认在阻挡激光束然后重新打开后，被捕获的粒子无处可寻。

研究人员指出，能够确定被捕获粒子的大小非常重要，因为这决定了与周围量子流体的相互作用。通过测量捕获的氧化锌纳米粒子散射光的功率，并使用散射理论将该功率与粒子的大小联系起来，他们得出结论，范围在 30 纳米到 50 纳米之间的纳米颗粒测量，与基于势能的计算结果一致。

“一个惊人的可能性”

Ashida 及其同事认为，他们的技术将通过准确监测被捕获纳米粒子的位置和运动，开辟一条研究量子流体动力学的新途径。但同时指出，由于不知道流体的有效粘度，校准捕获非常高频运动（约 100 kHz）所需的光电二极管将变得复杂。克服这个问题将需要额外的设备，例如精确的翻译台。

他们补充说，如果他们能够克服技术障碍，那么“惊人的可能性”就会出现，就是能够控制超流氦中出现的量子涡旋。他们指出，通过对分散在超流体中的纳米粒子示踪剂的散射光进行成像，已经可以观察到涡旋动力学，但指出，此类实验部分依赖于偶然地相互碰撞的涡旋。相比之下，他们的技术“可以作为一种新方法来控制量子涡旋运动，并动态地扰动和激发量子涡旋状态。