在失重环境中从光学阱中释放并重新捕获二氧化硅纳米颗粒

为什么自由下落的微小颗粒很重要

物理学家不断寻找新的方法来探测自然界最深层的规律，从引力到量子力学。一种有前景的工具是一颗由激光悬浮的微小玻璃珠，它灵敏到能够感应极其微弱的力。在这项研究中，研究者展示了这种“光学悬浮”纳米颗粒可以在整体处于失重状态时被释放并再次捕获——这是通往未来太空实验的一项关键步骤，这类实验可能检验引力与量子物理如何共存，并改进超高精度力传感器。

作为试验质点的悬浮小珠

实验使用二氧化硅纳米颗粒——直径仅约150纳米的玻璃球——由一束聚焦的红外激光在一个小型真空腔内束缚。激光如同无形的弹簧，将颗粒束缚在焦点附近，使其在三个方向上来回振荡。由于腔体被抽真空且颗粒极小，外界干扰被最小化，使得该小珠成为极其灵敏的微小推拉探针。这类系统称为悬浮光学力学，尤其有吸引力，因为可以非常精确地准备颗粒的初始状态——位置与运动——这对在相对较大质量下检验量子行为以及下一代力测量至关重要。

把实验室带进失重环境

为了研究当重力被有效去除时会发生什么，团队将完整的光学俘获装置改装以在不来梅重力塔（GraviTower Bremen）内运行，该紧凑型落塔设施可提供最多数秒的失重时间。激光光被放大并整形后，经高品质抛物面镜聚焦进入真空腔，形成俘获势。由纳米颗粒散射的光通过同一面镜回收并引导到单个光电二极管上，将颗粒的运动转换为电信号。整个系统——包括光学元件、电子设备和电源——必须紧凑、坚固并以电池供电，以承受反复的发射和塔内自由落体运行，同时仍保持捕获单个纳米颗粒所需的精细对准。

验证陷阱在失重下的行为一致

在进行自由飞行测试之前，研究者验证了微重力下的陷阱行为与在地面相同。他们测量了颗粒在陷阱中固有振动频率随激光功率变化的情况，既在地面也在落塔飞行中进行了比较。通过分析光电二极管信号中的频率，他们确认有无重力并不会显著改变俘获行为，这与数值模拟结果一致。他们还调整了光的偏振，使得颗粒在两个横向方向上具有略微不同的刚度，这是将来对运动进行主动冷却的重要技术步骤，主动冷却将有助于延长受控自由飞行的持续时间。

放手与再捕获

核心实验是在短时间内关闭俘获激光，使颗粒自由飞行，然后重新打开激光以再次捕获它。在关闭期间，通常用于测量位置的相同激光变为暗态，因此必须从释放前后的信号重建运动轨迹。团队在失重状态下将纳米颗粒释放长达10微秒。每次释放后，他们检查被重新捕获后颗粒振荡的强度，并通过对信号的精细滤波将三个空间方向的运动分离开来。当颗粒摆动仍然较小时，陷阱表现得像简单的弹簧，其自由飞行期间的轨迹可以被准确预测并与测量匹配。对于更长的释放时间或更大位移，运动进入光学力更复杂、非弹簧近似的区域，此时他们的单探测器方法已无法将不同方向清晰分离。

通往量子测试与更好传感器的步骤

该研究证明了悬浮纳米颗粒可以在真实的微重力环境中被控制、释放并重新捕获，其自由飞行时的运动与简单物理预期一致。这一概念验证为更长时间、更低温、更精细的实验铺平了道路，届时颗粒的运动可能接近量子态，或被用作测量微小力（包括引力本身）的超灵敏测试质量。通过如主动冷却以减少颗粒的随机运动等计划中的改进，类似装置可实现比此处所报告的自由飞行时间长数千倍，把一颗下落的玻璃小珠变成观察宇宙基本运行方式的强大新窗口。

引用: Prakash, G., Herrmann, S., Bergmann, R.B. et al. Release and recapture of silica nanoparticles from an optical trap in weightlessness. npj Microgravity 12, 37 (2026). https://doi.org/10.1038/s41526-026-00596-y

关键词: 悬浮光学力学, 微重力, 光学俘获, 纳米颗粒, 精密力传感