光束缚的纳米小球的三维基态冷却与探测


最近,我跟德州奥斯丁大学的李统藏和武汉物理数学所的冯芒研究员合作,写了一篇名为《Three dimensional cooling and detecting of a nanosphere with a single cavity》的论文。这篇文章从理论上探讨了如何用单个光学腔来帮助束缚在光镊中的纳米小球冷却到量子基态,同时我们可以通过探测出射光脉冲来测量小球在基态附近受到的扰动,比如说与单个分子的碰撞。这并不是一个容易的工作。要知道单个分子的质量与纳米小球的质量相差上亿倍,单个分子与小球的碰撞,可以形象的类比为一颗子弹打到一座山上被反弹后,我们想测量出山移动了多少。要完成如此精密的测量,我们需要对把热噪声降低到零。

这个工作的基础是李统藏刚刚在《Science》上发表的一篇实验论文。他在那篇论文中,报道了他们用光镊束缚微米小球,同时测量小球在空气中布朗运动瞬时速度的实验。我们仔细的考察了已有的把光束缚的纳米小球耦合到光学腔中,用腔辅助冷却小球运动的理论方案( Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.107, 1005 (2010), New. J. Phys. 12, 033015 (2010)),发现现有的一维冷却方案是不稳定的。原因在于不论是束缚光还是冷却光,与小球的散射都会加热小球,且加热效应是三维的,加热率会随着时间指数增长。如果我们只在一个维度上冷却了小球,而对另外两个维度放任不管,小球将会很快的被加热跑出光镊。我们必须用三维的冷却才能使得小球稳定的束缚在光镊中。而把原来的方案简单的推广到用三个腔冷却小球的3维运动是不行的,实验上太过复杂,根本无法实现。

我们发现,如果考虑到光学腔中的高阶模式,将可能把一个腔中的3个模式与小球的三维运动分别耦合起来,用于同时冷却小球的三维运动。不仅如此,这三个模式的出射光也包含了小球运动的信息,我们可以用它来探测小球的三维位置和运动。我们考察了一个很有趣的情况:超高真空下小球与剩余的气体分子之间的单次碰撞,可以用我们的这个方案来探测。如果将来能够完成这种探测的话,不仅可以在单次碰撞的水平上验证麦克斯韦速度分布律,还有可能用于估算气体分子的质量,以及小球表面的温度。此外,这个系统也可以看做是一个灵敏的单分子探测器,有可能用于做麦克斯韦妖的实验。这个方案的核心思想也可以用冷却原子,离子和分子。

论文已经贴到arXiv上:arXiv:1007.0827。如果有兴趣可以读读,欢迎大家多批评指教。

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One Comment

  1. […] 有好几个月无法访问wordpress了,刚刚登陆上来,赶紧记录一下过去一个月的论文进展。我有两篇论文刚刚发表,一篇是有关光束缚的小球的三维冷却与探测,投稿半年后发表在PRA上面,另外一篇是与人合作的用NV center和超导腔耦合实现可扩展的量子信息处理的理论方案,也发表在PRA上面。另外,还有一篇与人合作的相关论文投稿到PRA,只是不知道结果会怎么样。 […]

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