在真空光镊中对掺钇铒共掺纳米粒子的激光冷却

为什么温和冷却微小物体很重要

激光是用于捕捉和移动微观物体（从尘埃颗粒到活细胞）的出色工具。但是，同样像微型牵引光束的激光光也会加热它所捕获的对象，这可能损伤脆弱样本并破坏超精密测量。本研究中，研究人员展示了一种方法，使用光不仅囚禁单个纳米粒子，还能高效地将其冷却回接近室温——在整个过程中既不会使其变得危险地过热，也不会冷却得不利于生物健康。

对单个纳米粒子的光学操控手柄

现代“光镊”使用强聚焦激光束在一个腔室内捕捉并操纵纳米粒子和生物靶标，甚至在近真空条件下也能实现。这种无接触控制对于量子物理、纳米技术和生命科学实验至关重要。然而，把强光聚焦到如此微小的空间会带来大量能量。被捕获的物体吸收部分光能，升温，可能变得不稳定甚至遭受热损伤。该研究团队旨在直接在陷阱内控制这种加热，使用另一束激光在粒子被悬浮时从中抽取热量。

光如何实现冷却而非加热

这种冷却方法依赖于一种称为反斯托克斯发射的过程，在该过程中，材料吸收相对低能量的光并重新发射出能量略高的光子。被发射光子所需的额外能量来自材料晶格中的微小振动——也就是它的内部热能。当许多此类事件发生时，粒子有效地失去热能并冷却。为使该过程高效，研究人员设计了含有两种稀土离子（钇（Yb）和铒（Er））的氟化钠钇纳米晶体。一束1030纳米波长的激光作为陷阱光束，在真空腔内束缚单个纳米粒子；第二束1064纳米的激光驱动冷却过程，激发Yb离子，随后这些能量传递到Er离子的更高能级。

两种离子共同分担冷却任务

通过在纳米粒子中共掺Yb和Er，研究人员创建了多条辐射路径，沿着这些路径吸收的光可以被转换为更短波长的发射，从而带走热量。Yb离子对于1064纳米光是高效的吸收体，而Er离子提供了在更短波长处更强的冷却跃迁。能量在晶体内部从Yb流向Er，开启第二条冷却循环，相比单独Yb，整体性能得以提升。团队测量了来自特定Er和Yb能带的发射光，并使用成熟的光学测温技术在不接触粒子的情况下推断其内部温度。

保持样本既不过热也不过冷

实验表明，陷阱光和冷却光的联合作用会根据气压、激光功率和粒子的初始温度导致截然不同的结果。在常压下，与气体分子的频繁碰撞会将粒子温度钉在环境附近，掩盖任何冷却效应。然而在低压条件下，单纯受陷阱光束作用的被困纳米粒子可能会显著升温，达到约500开尔文（比室温高出200多摄氏度）。当开启冷却激光时，同一粒子可以降低超过120开尔文，接近室温。冷却在粒子起始温度较高且Er浓度调到约2%时效果最佳；Er太少会浪费潜在冷却通道，而Er过多则会促进能量共享过程，将光能重新转化为热能。

温和捕获的最佳点

关键在于，研究人员发现当纳米粒子的初始温度已经接近室温时，冷却通道并不会把它驱得低于冰点。这一行为对生物应用尤为重要，因为过热和过冷都可能损害在光镊中捕获的细胞、蛋白质或其他脆弱结构。因此，这种共掺纳米粒子设计像一种内建的热稳定器：它可以将非常热的被困粒子拉回到安全范围，但天然地避免过度制冷。该工作提供了实验证据，表明精心设计的稀土纳米晶体可以解决光学捕获中的关键问题，为更精确的力测量和对单个纳米物体及生物分子的更少损伤操控铺平道路。

引用: 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

关键词: 光镊, 激光冷却, 纳米粒子, 稀土掺杂, 生物物理学