在光静电芯片上演示真空悬浮和运动控制

几十年前首次证明了微观物体在真空中的悬浮及其悬浮时的运动控制。从那时起，各个研究小组一直在研究新的方法，以更大的自由度控制真空中的悬浮物体

虽然迄今为止进行的大多数实验都依赖于光学技术，但一些团队最近开始使用混合实验平台，这些平台结合了植根于原子物理学的概念。这些混合平台能够更好地控制悬浮物体的运动，释放出新的可能性，如力和扭矩传感或精确加速度

苏黎世联邦理工学院的研究人员最近展示了二氧化硅纳米颗粒在混合光子电芯片上的高真空悬浮。发表在《自然纳米技术》杂志上的一篇论文概述了他们提出的实验平台，该平台被发现能够在真空中实现纳米颗粒的稳健悬浮、精确位置检测和动态控制

Bruno Melo、Marc T.Cuairan和他们的同事在论文中写道：“通过与环境隔离并精确控制介观物体，真空悬浮已经发展成为一种多功能技术，已经受益于从力传感、热力学到材料科学和化学的多个科学方向。”

“它也为在未探索的宏观领域推进量子力学研究带来了巨大的希望。”

尽管最近在真空悬浮和粒子运动控制方面取得了进展，但大多数以前引入的实验方法都依赖于复杂的策略和/或庞大的设备。这大大限制了它们在现实世界中的应用，使它们在开发新技术方面不切实际

因此，一些研究人员一直试图使用静电和光学陷阱使真空悬浮平台小型化。然而，使用他们提出的大多数方法实现的悬浮不足以应用于受限设备，如低温恒温器和便携式设备

Melo、Cuairan和他的合作者介绍了一种新的混合光子-电平台，该平台能够对芯片上的纳米颗粒进行稳健的悬浮、位置检测和动态控制。与其他平台相比，他们提出的方法不需要庞大的透镜和光学设备

“我们展示了二氧化硅纳米颗粒在高真空下在混合光-静电芯片表面的悬浮和运动控制，”Melo、Cuairan和他们的同事写道。“通过将基于光纤的光学捕获和敏感位置检测与平面电极的冷阻尼相结合，我们将粒子运动冷却到几百个声子。”

在初步测试中，该团队提出的片上真空悬浮和运动控制平台取得了显著的结果，信噪比和光学位移检测能力与其他依赖大型光学设备的方法相当。当他们将平台与平面电极相结合进行主动反馈冷却时，研究人员还能够冷却二氧化硅纳米颗粒，并减少其在3D中的运动

苏黎世联邦理工学院的团队推出的片上真空悬浮和运动控制的新方法可能很快为量子研究和技术开发开辟新的机会。在接下来的研究中，Melo、Cuairan和他们的同事计划继续改进他们的平台，例如，使用折射微透镜来进一步提高其检测灵敏度，并集成更复杂的光学元件（例如，光纤腔）

Melo、Cuairan和他们的同事写道：“我们设想，我们的完全集成平台是将集成光子学和纳米光子学与精确设计的电势相结合的片上器件的起点，从而增强对复杂状态制备和读出的粒子运动的控制。” More information: Bruno Melo et al, Vacuum levitation and motion control on chip, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01677-3

Journal information: Nature Nanotechnology