告別笨重設備-雙光子3D打印實現芯片上的真空懸浮與操控

真空懸浮技術通過將物體與環(huán)境隔離并精確控制其運動,,在多個科學領域發(fā)揮重要作用,。然而,,現有的真空懸浮平臺通常復雜且體積龐大,,限制了其應用,。
為了解決這個問題,,研究人員開發(fā)了一種混合光學-靜電芯片,可以在高真空條件下對二氧化硅納米粒子進行懸浮和運動控制,。芯片的上層是光子層,,粒子被困在此處,通過分析散射光可以精確檢測納米粒子的運動,;下層是由一組平面電極組成的電層,,用于冷卻粒子的運動。
瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Nadine Meyer所在團隊在nature nanotechnology上發(fā)表了相關論文,,展示了一種在芯片上實現真空懸浮和運動控制的集成平臺,。

為了方便光纖直接接口,光子層由四個正交排列的,、經過切割的單模光纖組成,。兩個反向傳播光束產生的駐波圖案用于捕獲粒子,。這種配置有效地抵消了散射力,同時創(chuàng)造了多個捕獲點,。
研究人員首先考慮沿 y 方向的單駐波,,它由兩個 NA=0.1 的單模光纖發(fā)出的、相距160 μm 的等線性偏振反向傳播發(fā)散光束形成,。波長為 1550 nm,,總功率為 1 W。線性偏振光場與折射率 nr,、半徑 R=160nm,、極化率α的納米粒子相互作用。在每個強度波腹處,,粒子受到的光學力產生諧波勢,,理論機械本征頻率Ωx,y,z/(2π)≈(3.5, 89, 3.5) kHz,勢阱深度 U=42kBT0,,其中 kB 是玻爾茲曼常數,,T0=300 K(室溫)。為了實現三維主動反饋穩(wěn)定,,需要確保沿每個軸的機械頻率良好分離,。為此,研究人員沿 x 軸增加了第二個波長 λx=1064 nm 的駐波,。兩個駐波的組合導致沿每個光軸(x 和 y)產生高頻機械模式,,沿垂直軸(z)產生低頻機械模式。
這兩對光纖還通過檢測粒子的散射來監(jiān)測其位置,。利用對兩個光軸的訪問,每個駐波的散射光由正交的光纖對收集,,并用于監(jiān)測質心運動,。這種特別的收集方案在單光束陷阱中是無法實現的,并且具有更好地適應粒子散射模式的優(yōu)點,。
制造的芯片尺寸為 0.5 英寸 × 0.5 英寸,,并安裝在定制印刷電路板上,用于電氣接口,。靜電層由五個平面電極組成,,用于通過電場施加主動電反饋。為了實現可靠的懸浮,,精確控制每個切割光纖的位置至關重要,。因此,每個光纖都被固定在兩個 U 形機械支架中,,這些支架是通過Nanoscribe雙光子聚合微納加工設備和 IP-S 光刻膠微加工而成,。
為了max陷阱深度,,將光纖端面盡可能靠近是有益的。沿 y 方向,,光纖包層直徑(125 μm)限制了光纖端面之間的距離,。沿 x 方向,光纖端面之間的距離受到發(fā)散的 1550 nm 光束直徑的限制,。為了在這些限制條件下留有安全余地并減少反射引起的干擾,,研究人員設置 dy=160 μm 和 dx=80 μm。納米顆粒與芯片表面之間的垂直距離設置為 203 μm,。沒有使用額外的光纖處理或光學器件進行光學捕獲,。
在標準的基于霧化的加載之后,半徑 R≈160 nm 的單個二氧化硅粒子被捕獲在兩個波長分別為 λx=1064 nm 和 λy=1550 nm 的駐波的交點處,。交叉駐波的一個特征在于能夠獨立調節(jié)機械本征頻率 Ωq,,其中 q=x, y, z。通過降低 1064 nm 駐波的功率 Px,,可以觀察到 Ωx 的預期降低,,而 Ωy 保持不變。此外,,通過獨立改變每個駐波的 Px 和 Py 并提取 Ωx 和 Ωy,,驗證了 Ωq∝√Pq 的預期行為。值得注意的是,,盡管使用了低數值孔徑光纖,,但實現的 Ωq 值與高數值孔徑光學器件產生的值相當。
通過改變相應反向傳播光束之間的相對相位 φq 來控制粒子沿 x,、y 的位置,。
為了實現高反饋效率,重要的是要考慮運動信息輻射模式的角分布,。對于單光束捕獲的粒子,,大部分關于粒子軸向運動的信息包含在后向散射光中,從而可以通過基于測量的反饋實現一維基態(tài)冷卻,。與單光束配置相比,,駐波的第二束捕獲光束充當了具有固定相位關系的強局部振蕩器。
為了檢測平面內運動,,研究人員使用沿 x(y) 的光纖收集 λy=1550 nm (λx=1064 nm) 的散射光,,并將其用于平衡零差檢測方案,以檢測沿 x(y) 的運動,。為了檢測沿 z 方向的運動,,他們使用了沿 y 的第二根光纖。
為了在真空中冷卻和穩(wěn)定納米粒子的質心運動,,研究人員沿 q=x, y, z 應用了電冷阻尼,。納米粒子的質心運動被建模為三個解耦的諧波振蕩器,。

冷阻尼可實現的zui低溫度 Teff q 由檢測噪聲 σq 和機械阻尼 Γm∝p 決定。通過擬合 PSD 數據,,研究人員可以確定振蕩器的有效質心溫度 Teff q 和聲子占有率,。
由于其緊湊的設計和出色的冷卻性能,開發(fā)的平臺在力和加速度傳感方面顯示出應用前景,??紤]到檢測噪聲,最小力和加速度靈敏度超過了熱極限,。
總之,,這項研究展示了一種在真空中實現穩(wěn)健的光學芯片懸浮和運動控制的集成平臺。盡管使用了低數值孔徑的商用光纖,,但研究人員證明,,粒子的位移檢測達到了與大型高數值孔徑光學器件相當的信噪比。這種性能已經能夠將質心冷卻到數百個聲子,,并且可以通過進一步減小光纖距離來進一步提高,。該平臺還為多粒子陣列、光學綁定和高折射率超原子懸浮等研究提供了潛在應用,。未來,,通過在光纖輸出端集成折射微透鏡或超透鏡,有望進一步提高檢測靈敏度和可實現的機械頻率,。此外,,還可以集成更復雜的光學元件,如光纖腔,。該平臺為基于懸浮粒子的量子實驗中混合勢的使用奠定了基礎,。
相關文獻及圖片出處
doi.org/10.1038/s41565-024-01677-3
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