Лазерное охлаждение наночастицы с со-допированием иттербием и эрбием в оптических пинцетах в вакууме

Почему бережное охлаждение крошечных объектов важно

Лазеры — выдающиеся инструменты для удержания и перемещения микроскопических объектов, от пылинок до живых клеток. Но тот же лазерный свет, который действует как крошечный тяговый луч, также нагревает то, что он захватывает, что может повредить хрупкие образцы и испортить сверхточные измерения. В этом исследовании авторы демонстрируют способ использовать свет не только для захвата отдельной наночастицы, но и для эффективного её охлаждения обратно к комнатной температуре — при этом частица никогда не становится опасно горячей или чрезмерно холодной.

Световая рукоятка для одиночных наночастиц

Современные «оптические пинцеты» используют сильно сфокусированный лазерный луч для удержания и управления наночастицами и биологическими объектами внутри камеры, даже в условиях близкого к вакууму. Такой бесконтактный контроль необходим для экспериментов в квантовой физике, нанотехнологиях и биологических науках. Однако фокусирование интенсивного света в такую маленькую точку приносит много энергии. Захваченный объект поглощает часть этого света, нагревается и может стать нестабильным или получить тепловое повреждение. Команда, стоящая за этой работой, поставила задачу усмирить это нагревание прямо в ловушке, используя второй лазер для отведения тепла из частицы при её левитации.

Как свет может охлаждать вместо нагрева

Метод охлаждения основан на процессе, называемом анти-Стоксом, при котором материал поглощает относительно низкоэнергетический свет и затем переизлучает фотон с чуть более высокой энергией. Дополнительная энергия для испускаемых фотонов берётся из крошечных колебаний кристаллической решётки материала — его внутреннего тепла. Когда такие события происходят многократно, частица эффективно теряет тепловую энергию и остывает. Чтобы обеспечить высокую эффективность, исследователи специально создали нанокристаллы фторида натрия-иттрия, содержащие два типа редкоземельных ионов — иттербий (Yb) и эрбий (Er). Один лазер с длиной волны 1030 нанометров служит ловчем лучом, удерживая отдельную наночастицу внутри вакуумной камеры. Второй лазер на 1064 нанометрах запускает процесс охлаждения, возбуждая ионы Yb, которые затем передают энергию на более высокие уровни ионов Er.

Два партнёра, делящие работу по охлаждению

Совместное допирование частицы Yb и Er создаёт несколько радиативных путей, по которым поглощённый свет может преобразовываться в излучение более короткой длины волны, уносящее тепло. Ионы Yb эффективно поглощают свет 1064 нм, тогда как Er обеспечивает дополнительный, более сильный охлаждающий переход на ещё более коротких длинах волн. Энергия передаётся от Yb к Er внутри кристалла, открывая второй цикл охлаждения и повышая общую эффективность по сравнению с использованием только Yb. Команда измеряла свет, испускаемый из конкретных энергетических полос Er и Yb, и использовала установившиеся оптические методы термометрии, чтобы безконтактно оценить внутреннюю температуру частицы.

Поддержание образцов тёплыми, но не перегретыми

Эксперименты показывают, что совместное действие ловчего и охлаждающего лазеров приводит к очень разным результатам в зависимости от давления газа, мощности лазера и начальной температуры частицы. При нормальном атмосферном давлении частые столкновения с молекулами газа фиксируют температуру частицы близко к температуре окружения, маскируя любое охлаждение. В условиях низкого давления, однако, захваченная наночастица под действием только ловчего луча может сильно нагреться, достигая примерно 500 К (более чем на 200 градусов выше комнатной температуры). С включённым охлаждающим лазером ту же частицу удаётся охладить более чем на 120 К, приблизив её к комнатной температуре. Охлаждение работает лучше, когда частица изначально горячая и концентрация Er настроена примерно на 2 %; слишком малое содержание Er теряет потенциальные охлаждающие каналы, а слишком большое способствует процессам перераспределения энергии, которые преобразуют свет обратно в тепло.

Оптимум для бережного захвата

Ключевым является наблюдение, что если начальная температура наночастицы уже близка к комнатной, путь охлаждения не опускает её ниже точки замерзания. Такое поведение особенно важно для биологических применений, где и перегрев, и переохлаждение могут повредить клетки, белки или другие хрупкие структуры, удерживаемые оптическими пинцетами. Такая конструкция со-допированной наночастицы фактически работает как встроенный тепловой стабилизатор: она может снизить сильно разогретые захваченные частицы до безопасного диапазона, но при этом естественно избегает чрезмерного охлаждения. Работа даёт экспериментальное подтверждение того, что тщательно спроектированные редкоземельные нанокристаллы могут решить ключевую проблему в оптической ловле, открывая путь к более точным измерениям сил и менее разрушительной манипуляции отдельными нанобъектами и биомолекулами.

Цитирование: Guo, X., Xiao, Y., Wang, S. et al. Laser cooling of ytterbium-erbium Co-doped nanoparticle with optical tweezers in vacuum. Commun Phys 9, 107 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02541-7

Ключевые слова: оптические пинцеты, лазерное охлаждение, наночастицы, допирование редкоземельными элементами, биофизика