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納糯三維科技(上海)有限公司Nanoscribe>>技術文章>>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

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

閱讀:435        發布時間:2024/7/19
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真空懸浮技術通過將物體與環境隔離并精確控制其運動,在多個科學領域發揮重要作用。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。




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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 的單模光纖發出的、相距160 μm 的等線性偏振反向傳播發散光束形成。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。

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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,開發的平臺在力和加速度傳感方面顯示出應用前景。考慮到檢測噪聲,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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