Raffreddare con la luce

Mai prima d'ora si era riusciti a raffreddare una nanoparticella in una gabbia di fotoni a temperature così basse: Dominik Windey e René Reimann, dottorando e postdoc nel gruppo di Lukas Novotny, professore di fotonica, sono riusciti a raffreddare una perla di vetro di 140 nanometri a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto.

I ricercatori hanno recentemente pubblicato il loro lavoro sulla rivista "Physical Review Letters". Hanno ottenuto la loro scoperta grazie a un ingegnoso set-up sperimentale. Il punto di partenza è una cosiddetta pinzetta ottica, con la quale una nanoparticella può essere tenuta in sospensione con l'aiuto di un raggio laser. Il gruppo aveva già utilizzato queste pinzette ottiche in uno studio precedente, in cui avevano fatto ruotare una nanoparticella in modo estremamente rapido attorno al proprio asse.

Una linea sottile

Gli scienziati hanno ora integrato le pinzette ottiche con una gabbia di fotoni disposta trasversalmente ad esse. Questa gabbia è costituita da due specchi altamente riflettenti, la cui posizione può essere regolata dai ricercatori entro pochi miliardesimi di millimetro.

Questa regolazione precisa è fondamentale, perché una parte della luce laser viene diffusa dalla particella e la distanza degli specchi permette agli scienziati di influenzare il tipo di luce diffusa. "Possiamo regolare gli specchi in modo che venga diffusa una quantità maggiore di luce con una frequenza leggermente superiore a quella della luce laser primaria", spiega Windey. "In altre parole, se lo specchio è regolato correttamente, la perla di vetro perde costantemente energia. La sua ampiezza di oscillazione diventa sempre più piccola e si raffredda.

"Il punto forte del nostro set-up sperimentale è che l'oscillazione della particella non diminuisce solo in una direzione, ma in tutte e tre le dimensioni", spiega Windey. "Il fatto che il raffreddamento avvenga effettivamente in tre dimensioni è stato confermato dai calcoli teorici dei colleghi dell'Università di Innsbruck, con i quali i ricercatori del Fare all'ETH hanno pubblicato il loro lavoro.

Avvicinamento a un confine magico

Con il loro nuovo esperimento, i ricercatori stanno inseguendo un confine magico: si stanno avvicinando alla temperatura alla quale le nanoparticelle entrano nel cosiddetto stato fondamentale quantistico. Se questo risultato fosse raggiunto, sarebbe possibile per la prima volta effettuare esperimenti quantistici con oggetti relativamente grandi. Ad esempio, sarebbe possibile studiare il comportamento di una perla di vetro quando vengono sovrapposti due diversi stati quantici.

Tuttavia, c'è ancora molto lavoro da fare prima che ciò accada. "Le nostre temperature sono ancora troppo alte di un fattore superiore a 100", dice Windey. "Questo obiettivo sarà raggiunto con un sistema ancora più sofisticato, in cui i ricercatori aggiungeranno anche una seconda gabbia di fotoni, in altre parole implementeranno un sistema di raffreddamento a due stadi.

Fonte di interferenza inaspettata

Va da sé che l'impegno richiesto sarà notevolmente superiore. "Il sistema è estremamente sensibile", spiega Windey. Anche le più piccole perturbazioni spostano la distanza tra gli specchi. Di conseguenza, la particella non viene più raffreddata, ma riscaldata e non può più essere trattenuta nella pinzetta ottica: l'intero processo ricomincia da capo. "Fin dall'inizio abbiamo avuto problemi con le vibrazioni inaspettate", riferisce Windey. "Abbiamo poi scoperto che l'edificio del nostro laboratorio sull'Hönggerberg si muove avanti e indietro di 4 micrometri durante il giorno a causa del traffico stradale. Per questo motivo abbiamo dovuto effettuare le misurazioni di notte".

Anche se l'elevata sensibilità del sistema di misurazione sta attualmente rendendo la vita difficile ai ricercatori, potrebbe rendere possibile un'applicazione pratica. "Il sistema potrebbe essere usato per costruire un sensore di accelerazione estremamente sensibile", dice Windey. "E una volta che avremo la particella in uno stato quantico, saremo in grado di determinare le deviazioni in modo ancora più preciso".