超流氦的光學(xué)捕獲原理。來源：Minowa, Yosuke

大阪大學(xué)工程科學(xué)研究生院的科學(xué)家們首次在超流氦中使用了光學(xué)鑷子。通過一束強聚焦的光，他們展示了納米粒子在超低溫度下的穩(wěn)定捕獲。這項工作可以幫助科學(xué)家更好地理解區(qū)分經(jīng)典效應(yīng)和量子效應(yīng)的概念邊界。

研究量子力學(xué)的奇異世界往往是困難的，因為一些最有趣的現(xiàn)象只發(fā)生在極端條件下。例如，當(dāng)氦被冷卻到非常低的溫度時，它可以形成一種無粘性或無摩擦流動的超流體狀態(tài)。這種變化是由于物質(zhì)的量子“波狀”性質(zhì)，其中超冷氦原子開始協(xié)調(diào)，并表現(xiàn)得幾乎像單個粒子。雖然人們很早就知道超流氦的存在，但它與更大物體相互作用的方式尚未得到充分研究。

超流氦中金和氧化鋅納米粒子的光學(xué)捕獲。(A)線偏振激光束與浸入超流氦中的非球面透鏡(L1)緊密聚焦。通過激光消融和聚焦透鏡(L2)將目標(biāo)納米粒子裝入超流氦中。(B)激光消融前八面體金納米顆粒的SEM圖像。(C)激光消融后射出的金納米粒子的透射電鏡圖像。(D)激光消融前(紅色)和后(藍(lán)色)金納米顆粒的大小分布。(E)激光燒蝕法制備納米氧化鋅。

現(xiàn)在，來自大阪大學(xué)的一組研究人員利用光學(xué)鑷子對懸浮在超流體氦中的納米顆粒進(jìn)行了操作。他們能夠利用這種光學(xué)捕獲效應(yīng)將金屬和介電納米粒子限制在超流氦中，超流氦的溫度僅比絕對零度高1.4度。第一作者Yosuke Minowa說:“這個實驗是光鑷在超低溫度下的首次成功應(yīng)用，因為我們是在零下271攝氏度下工作的。”被捕獲的納米顆粒由金或氧化鋅制成，大小在10到80納米之間，可以懸浮長達(dá)30分鐘。

超流氦中納米粒子的光學(xué)捕獲。(A)實驗示意圖。脈沖納秒激光束通過透鏡(L2)聚焦到目標(biāo)基板上。負(fù)載/合成的納米粒子分散在超流氦中，并被沉浸在超流氦中的透鏡(L1)聚焦的線偏光束捕獲。從光學(xué)捕獲的(B)金和(C)氧化鋅納米粒子散射的光通過低溫恒溫器的光學(xué)窗口成像，并由CMOS相機記錄。(D)估計捕獲的粒子大小作為散射光功率的函數(shù)。藍(lán)色曲線對應(yīng)的是計算出的粒子尺寸與散射功率之間的關(guān)系。紅色的星星顯示了實驗探測到的散射能力。紅色虛線對應(yīng)的是視覺指引。

光鑷允許使用激光的強聚焦光束對微小的納米粒子進(jìn)行三維限制。這種光就像“牽引光束”，這種方法被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)研究。光鑷通常在室溫下工作，但這項研究為新的低溫應(yīng)用開辟了道路。Minowa說:“我們的工作使我們能夠探索量子流體和經(jīng)典納米材料之間前所未有的相互作用。”在超流氦中，會出現(xiàn)被稱為渦流的微小漩渦，但每個漩渦只能在特定的允許值上旋轉(zhuǎn)。在未來，納米粒子可能被用來觀察甚至控制這些漩渦。這項研究可能有助于更好地理解量子領(lǐng)域和熟悉的物理定律之間的過渡。

預(yù)期納米粒子運動的經(jīng)典近似。(A)有效徑向光學(xué)勢與擬合的諧波勢曲線。(B)假設(shè)超流氦中納米粒子的經(jīng)典行為，期望的位置功率譜密度。

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