Laserové zachycení a chlazení nanočástic / Laser trapping and

Obor: Optika a optoelektronika
Jméno školitele: prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. ([email protected], 605267574)
Název tématu disertační práce (2014/2015):
Laserové zachycení a chlazení nanočástic
Laser trapping and cooling of nanoparticles
Současné optické mikromanipulační techniky zahrnují řadu unikátních nástrojů a postupů, které
umožňují např. prostorovou lokalizaci mikroobjektů (včetně živých buněk) ve světelném svazku (tzv.
optická pinzeta), 3D manipulace s několika mikroobjekty, bezkontaktní a sterilní separaci mikroobjektů
či složek suspenzí, povrchové uspořádání mikročástic a jejich transport. Optická pinzeta využívá
jednoho fokusovaného laserového svazku k zachycení mikroobjektů a k jejich manipulaci v prostoru.
Vlnová délka je volena tak, aby nebyla objektem pohlcována a objekt zůstal nepoškozený. Drtivá
většina experimentů je realizována ve vodě a výjimečně ve vzduchu, kde však částice intenzívně
interaguje s okolím prostředí a její pohyb je přetlumený. Právě omezení interakce zachycené částice
s okolním prostředím a možnost dynamicky měnit tvar potenciálu, který je generován prostorovým
rozložením optické intenzity laserového svazku, vedou k experimentální realizaci mechanického
oscilátoru miniaturních rozměrů ve vakuu. Interakce nanočástice s laserovým svazkem může vést i ke
snižování její celkové mechanické energie v daném potenciálovém profilu, tedy k tzv. laserovému
chlazení nanočástice. Popsaný experimentální systém umožní pozorování řady unikátních fyzikálních
efektů z oblasti klasické fyziky a věříme, že i z oblasti kvantové mechaniky.
Hlavním cílem doktorandské disertační práce bude realizovat unikátní experimentální sestavu v Ústavu
přístrojové techniky AV ČR v Brně. Experimentální sestava bude sloužit ke studiu pohybu částic
v harmonických i anharmonických potenciálech, laserovému chlazení nanočástic, interakcí mezí
zchlazenými nanočásticemi a okolním prostředím. Předpokládá se, že doktorand bude realizovat
experimenty, analyzovat a interpretovat výsledky. Ústav přístrojové techniky AV ČR zajistí veškeré
materiální podmínky pro práci na období 4 let, disponuje téměř dvacetiletou historií v oblasti optických
mikromanipulačních technik, spolupracuje s řadou světových laboratoří a v dané oblasti patří mezi
světovou špičku.
Aktivity budou finančně podporovány Centrem excelence pro klasické a kvantové interakce (GAČR 1436681G) a Centrem pokročilých diagnostických metod a technologií – ALISI (MŠMT LO1212).
Current optical micromanipulation techniques include many unique tools and methods that enable
spatial localization of microobjects (including living cells) in a laser beam (so-called optical tweezers),
3D manipulations with several objects, contactless and sterile separation of microobjects or suspension
components, surface arrangement of microparticles and their transport. Optical tweezers use single
focused laser beam for spatial confinement and manipulation of microobjects. Laser wavelength is
chosen so that it is not absorbed by the object and therefore the object is not damaged. Majority of
experiments is performed in water and exceptionally in air, however here the particle strongly interacts
with the environment and its motion is overdamped. Namely suppression of particle interaction with
environment and possibility to change dynamically the shape of the trapping potential by spatial laser
beam intensity profile lead to experimental realization of miniature mechanical oscillator in vacuum.
Interaction of a nanoparticle with laser beam can also lead to decrease of mechanical energy of the
nanoparticle in the potential profile, i.e. to the so-called laser cooling of nanoparticle. Described
experimental system enables observation of many unique experimental effects from the domain of
classical physics and we hope that also from quantum mechanics.
The main goal of the proposed PhD thesis will be to setup unique experimental system in the Institute of
Scientific Instruments of the ASCR in Brno. Experimental system will be used for study of nanoparticle
motion in harmonic and anharmonic potentials, laser cooling of nanoparticles, interactions between
cooled nanoparticles and environment. The PhD student is expected to perform the experiments,
analysed and interpret the results. The Institute of Scientific Instruments of the ASCR will provide all
material conditions for this work for 4 years, has 20 year history in optical micromanipulation
techniques, collaborates with a number of laboratories around the world and belongs to the leading
world-wide players in the this area.
The activities will be financially supported by the Centre of excellence for classical and quantum
interactions (CSA 14-36681G) and Centre of advanced diagnostic methods and technologies – ALISI
(MEYS LO1212).
References:
1. Jonáš, A., Zemánek, P.: Light at work: The use of optical forces for particle manipulation,
sorting, and analysis, Electrophoresis 29 (2008) 4813-4851.
2. Gieseler, J. et al: Subkelvin parametric feedback cooling of a laser-trapped nanoparticle, Phys.
Rev. Lett. 109 (2012) 103603
3. Barker, P.F.: Doppler cooling a microsphere, Phys. Rev. Lett. 105 (2010) 073002
4. Giesel J., Novotny L., Quidant, R.: Thermal nonlinearities in a nanomechanical oscillator, Nature
Physics 9 (2013) 806-810
5. Li, T., Kheifets, S., Raizen, M.G.: Milikelvin cooling of an optically trapped microsphere in
vacuum, Nature Physics 7 (2011) 527-530.