Demostración de levitación al vacío y control de movimiento en un chip óptico-electrostático
Plataforma de levitación en chip del equipo. a, la capa óptica superior consta de dos pares ortogonales de fibras ópticas monomodo escindidas. Uno de los pares (a lo largo de y) crea una onda estacionaria en λy = 1550 nm, mientras que el segundo par (a lo largo de x) crea una onda estacionaria en λx = 1064 nm. Las distancias entre las fibras son dx = 80 μm y dy = 160 μm. Se captura una partícula (negra) en la intersección de ambas ondas estacionarias. La luz dispersada por la partícula en las fibras, representada por las flechas, se utiliza para la detección del desplazamiento. Las cuatro fibras se colocan encima de un conjunto de electrodos planos que se utilizan para aplicar enfriamiento por retroalimentación activa a la partícula cargada a través de fuerzas eléctricas: electrodos derecho e izquierdo para retroalimentación a lo largo de x, electrodo superior e inferior para retroalimentación a lo largo de y. b, Imagen del chip de levitación que muestra los electrodos planos, cuatro fibras ópticas, conjuntos de fibras cerca del centro y conexiones de cables desde el chip a la PCB en las esquinas. c, Fibra óptica colocada en un conjunto mecánico fabricado mediante polimerización de dos fotones y utilizado para alinear y mantener las fibras en su lugar. Crédito:Nanotecnología de la naturaleza (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01677-3
La levitación de objetos microscópicos en el vacío y el control de su movimiento mientras están suspendidos se demostró por primera vez hace varias décadas. Desde entonces, varios grupos de investigación han estado trabajando en nuevos enfoques para controlar objetos levitados en el vacío con mayores grados de libertad.
Aunque la mayoría de los experimentos realizados hasta ahora se han basado en técnicas ópticas, algunos equipos han comenzado recientemente a utilizar plataformas experimentales híbridas que combinan conceptos arraigados en la física atómica. Estas plataformas híbridas permiten un mayor control sobre el movimiento de objetos levitados, desbloqueando nuevas posibilidades como la detección de fuerza y par o la aceleración de precisión.
Investigadores de ETH Zurich demostraron recientemente la levitación en alto vacío de una nanopartícula de sílice en un chip híbrido fotónico-eléctrico. Su plataforma experimental propuesta, descrita en un artículo. Publicado en Nanotecnología de la naturalezaSe descubrió que permite una levitación robusta, una detección de posición precisa y un control dinámico de la nanopartícula en el vacío.
«Al aislarse del medio ambiente y controlar con precisión los objetos mesoscópicos, la levitación en vacío ha evolucionado hasta convertirse en una técnica versátil que ya ha beneficiado a diversas direcciones científicas, desde la detección de fuerzas y la termodinámica hasta la ciencia de los materiales y la química», escribieron Bruno Melo, Marc T. Cuairan y su colegas en su artículo.
«También es muy prometedor para avanzar en el estudio de la mecánica cuántica en el régimen macroscópico inexplorado».
A pesar de los avances recientes en la levitación al vacío y el control del movimiento de partículas, la mayoría de los métodos experimentales introducidos anteriormente se basan en estrategias complejas y/o equipos voluminosos. Esto limita significativamente sus aplicaciones en el mundo real, lo que las hace poco prácticas para desarrollar nuevas tecnologías.
Algunos investigadores han intentado miniaturizar plataformas de levitación al vacío utilizando trampas ópticas y electrostáticas. Sin embargo, la levitación lograda con la mayoría de los enfoques propuestos no fue lo suficientemente sólida como para aplicarse a dispositivos confinados como criostatos y dispositivos portátiles.
Melo, Cuairan y sus colaboradores introdujeron una nueva plataforma híbrida fotónica-eléctrica que permite una levitación robusta, detección de posición y control dinámico de una nanopartícula en un chip. A diferencia de otras plataformas, el método propuesto no requiere lentes voluminosas ni equipos ópticos.
«Mostramos la levitación en alto vacío y el control del movimiento de una nanopartícula de sílice en la superficie de un chip híbrido óptico-electrostático», escribieron Melo, Cuairan y sus colegas. «Al combinar la captura óptica basada en fibra y la detección sensible de la posición con amortiguación en frío mediante electrodos planos, enfriamos el movimiento de las partículas a unos pocos cientos de fonones».
En las pruebas iniciales, la plataforma de control de movimiento y levitación al vacío en chip propuesta por el equipo logró resultados notables, con relaciones señal-ruido y capacidades de detección de desplazamiento óptico comparables a las de otros enfoques que dependen de equipos ópticos voluminosos. Cuando combinaron su plataforma con electrodos planos para un enfriamiento por retroalimentación activa, los investigadores también pudieron enfriar la nanopartícula de sílice y reducir su movimiento 3D.
El nuevo enfoque de levitación en vacío y control de movimiento en chip introducido por este equipo en ETH Zurich pronto podría abrir nuevas oportunidades para la investigación y el desarrollo de tecnología cuántica. En sus próximos estudios, Melo, Cuairan y sus colegas planean seguir mejorando su plataforma, por ejemplo utilizando microlentes refractivas para aumentar aún más su sensibilidad de detección e integrar elementos ópticos más sofisticados (por ejemplo, cavidades de fibra).
«Prevemos que nuestra plataforma totalmente integrada sea el punto de partida para dispositivos en chip que combinen fotónica y nanofotónica integradas con potenciales eléctricos diseñados con precisión, mejorando el control sobre el movimiento de partículas hacia la preparación y lectura de estados complejos», escribieron Melo, Cuairan y sus colegas. .
Mas informaciones:
Bruno Melo et al, Levitación por vacío y control de movimiento en chip, Nanotecnología de la naturaleza (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01677-3
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Cita: La demostración de levitación por vacío y control de movimiento en un chip óptico-electrostático (2 de julio de 2024), obtenido el 2 de julio de 2024 de https://phys.org/news/2024-07-vacuum-levitation-motion-optical-electrostatic .html
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