Die Demonstration der Vakuumlevitation und Bewegungssteuerung auf einem optisch-elektrostatischen Chip

Das Schweben mikroskopischer Objekte im Vakuum und die Kontrolle ihrer Bewegungen während sie schweben, wurde erstmals vor mehreren Jahrzehnten demonstriert. Seitdem arbeiten verschiedene Forschungsgruppen an neuen Ansätzen zur Steuerung schwebender Objekte im Vakuum mit größeren Freiheitsgraden.

Während die meisten bisher durchgeführten Experimente auf optischen Techniken basierten, haben einige Teams vor kurzem begonnen, hybride Versuchsplattformen zu verwenden, die Konzepte aus der Atomphysik kombinieren. Diese Hybridplattformen ermöglichen eine bessere Kontrolle über die Bewegung schwebender Objekte und eröffnen neue Möglichkeiten, wie etwa die Messung von Kraft und Drehmoment oder präzise Beschleunigung.

Forscher der ETH Zürich demonstrierten kürzlich die Hochvakuum-Levitation eines Silizium-Nanopartikels auf einem hybriden photonisch-elektrischen Chip. Ihre vorgeschlagene experimentelle Plattform, die in einem Artikel beschrieben wird, veröffentlicht In Natur Nanotechnologieermöglicht eine robuste Levitation, eine präzise Positionserkennung und eine dynamische Steuerung des Nanopartikels im Vakuum.

„Durch die Isolierung von der Umgebung und die präzise Steuerung mesoskopischer Objekte hat sich die Levitation im Vakuum zu einer vielseitigen Technik entwickelt, von der bereits verschiedene wissenschaftliche Bereiche profitiert haben, von der Kraftmessung und Thermodynamik bis hin zu Materialwissenschaften und Chemie“, schrieben Bruno Melo, Marc T. Cuairan und ihre Kollegen in ihrem Artikel.

„Es ist außerdem sehr vielversprechend für die Weiterentwicklung der Erforschung der Quantenmechanik im unerforschten makroskopischen Bereich.“

Trotz jüngster Fortschritte in der Vakuumlevitation und der Bewegungssteuerung von Partikeln basieren die meisten bisher eingeführten experimentellen Methoden auf komplexen Strategien und/oder sperrigen Geräten. Dies schränkt ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis erheblich ein und macht sie für die Entwicklung neuer Technologien unpraktisch.

Einige Forscher haben daher versucht, Vakuum-Levitationsplattformen mithilfe elektrostatischer und optischer Fallen zu miniaturisieren. Die mit den meisten ihrer vorgeschlagenen Ansätze erreichte Levitation war jedoch nicht robust genug, um auf begrenzte Geräte wie Kryostate und tragbare Geräte angewendet zu werden.

Melo, Cuairan und seine Mitarbeiter stellten eine neue hybride photonisch-elektrische Plattform vor, die robuste Levitation, Positionserkennung und dynamische Steuerung eines Nanopartikels auf einem Chip ermöglicht. Im Gegensatz zu anderen Plattformen erfordert ihre vorgeschlagene Methode keine sperrigen Linsen und optischen Geräte.

„Wir zeigen Levitation und Bewegungssteuerung eines Silizium-Nanopartikels im Hochvakuum auf der Oberfläche eines hybriden optisch-elektrostatischen Chips“, schrieben Melo, Cuairan und ihre Kollegen. „Durch die Kombination von faserbasierter optischer Einfangung und empfindlicher Positionserkennung mit kalter Dämpfung durch planare Elektroden kühlen wir die Partikelbewegung auf einige hundert Phononen ab.“

In ersten Tests erzielte die vom Team vorgeschlagene On-Chip-Plattform für Vakuum-Levitation und Bewegungssteuerung bemerkenswerte Ergebnisse. Die Signal-Rausch-Verhältnisse und die optischen Verschiebungserkennungsfähigkeiten waren mit denen anderer Ansätze vergleichbar, die auf sperrige optische Geräte angewiesen sind. Als sie ihre Plattform mit planaren Elektroden für eine aktive Rückkopplungskühlung kombinierten, konnten die Forscher auch das Silizium-Nanopartikel abkühlen und seine Bewegung in 3D reduzieren.

Der neue Ansatz für On-Chip-Vakuum-Levitation und Bewegungssteuerung, den dieses Team an der ETH Zürich vorstellt, könnte bald neue Möglichkeiten für die Quantenforschung und Technologieentwicklung eröffnen. In ihren nächsten Studien planen Melo, Cuairan und ihre Kollegen, ihre Plattform weiter zu verbessern, zum Beispiel durch den Einsatz von refraktiven Mikrolinsen, um die Detektionsempfindlichkeit weiter zu erhöhen, und durch die Integration anspruchsvollerer optischer Elemente (z. B. Faserkavitäten).

„Wir gehen davon aus, dass unsere vollständig integrierte Plattform der Ausgangspunkt für On-Chip-Geräte ist, die integrierte Photonik und Nanophotonik mit präzise konstruierten elektrischen Potenzialen kombinieren und so die Kontrolle über die Partikelbewegung hin zur Vorbereitung und Ausgabe komplexer Zustände verbessern“, schrieben Melo, Cuairan und ihre Kollegen.

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