中國科大郭光燦院士團隊在高靈敏光學檢測研究中取得重要進展。該團隊孫方穩(wěn)教授小組與新加坡國立大學仇成偉教授團隊合作，基于真空光鑷系統(tǒng)實驗實現(xiàn)了高精度全光學的質量和位置測量。該研究成果發(fā)表在物理學知名期刊《Physical Review Letters》上。

光學檢測已經成為當前科學以及應用領域最精密的測量方法，在時間、頻率、位置等精密測量領域發(fā)揮了重要的作用。基于光力相互作用，光學還實現(xiàn)了高靈敏度力學及相關物理量的測量，例如引力波的探測以及光鑷技術在生物中的操控和測量都已經獲得了諾貝爾物理學獎。而真空光鑷技術通過在真空環(huán)境中光學懸浮微納顆粒，能最大程度隔絕環(huán)境噪聲對測量過程的干擾，進一步提高測量穩(wěn)定性和靈敏度，可以實現(xiàn)力、質量、加速度、扭矩及電磁場等物理量的高精度測量。

在真空光鑷體系中，實驗上通過對懸浮粒子位置和運動行為的高精度探測與分析來實現(xiàn)相關物理量的高靈敏檢測。因此，懸浮粒子的運動行為操控以及將測量信號轉換為實際位移的校準過程是其兩項核心技術。當前，運動行為操控的不完美以及信號校準的誤差將直接導致測量靈敏度和準確度的降低?，F(xiàn)行的校準方案一般都是基于懸浮粒子質量信息與外加輔助力實現(xiàn)的。然后，在微納尺度下粒子質量和外加力的測量是相當困難，且測量或估算誤差較大，無法減小真空光鑷系統(tǒng)的校準誤差，嚴重制約著真空光鑷體系的發(fā)展和應用。

圖1. 全光學質量、位置測量示意圖

圖2.  飛克級質量測量結果

孫方穩(wěn)小組近年來致力于真空光鑷實驗體系相關技術的發(fā)展，提出利用數(shù)字化反饋控制技術實現(xiàn)了懸浮粒子運動行為的實時精確操控，完成了冷卻、幅值鎖定和頻率鎖定等關鍵技術。此外，系統(tǒng)研究了懸浮粒子在非簡諧勢場下的非線性運動過程，獲得了其運動幅值與勢場非線性導致的振動頻率移動的關系。實驗上，基于幅值鎖定技術，通過精確測量一顆直徑約為150nm的懸浮二氧化硅小球的非線性頻率移動，獲得了該粒子振動幅值的精確值，從而實現(xiàn)了高精度高準確度的運動信號校準。該校準方案無需微粒質量信息及外力的輔助，相關指標超過了當前所有已知的校準方案。進一步，利用該高精度校準的真空光鑷系統(tǒng)實現(xiàn)了亞皮米級靈敏度的位置測量和飛克量級微粒的質量測量，其測量結果的相對不確定度分別可達1%和2.2%。該位置與質量測量不確定度是當前相關測量體系所能獲得的最好水平，并為與質量有關的力和加速度的精密測量打下了基礎。此外，該系統(tǒng)還實現(xiàn)了單個微粒的尺寸和密度的測量，為獲取微納尺度物質的參數(shù)和性能提供了新的方法。

該工作為實現(xiàn)高可控性的真空光鑷體系打下了重要實驗基礎，為精密測量、微觀尺度熱力學以及光力相互作用等研究提供了重要實驗平臺。而微納尺度下質量、力學及其相關物理量的高精度測量，將在重力儀、加速度計、陀螺儀等精密測量領域中發(fā)揮重要作用?；谠摳呖煽匦缘恼婵展忤圀w系還將可能實現(xiàn)宏觀量子疊加態(tài)，并基于量子精密測量理論進一步提高相關物理量的測量極限。

該工作的第一作者是中科院量子信息重點實驗室鄭瑜博士。新加坡國立大學仇成偉教授團隊提供了非線性光勢阱的數(shù)值模擬。上述研究得到中國工程物理研究院、國家基金委、中國科學院和安徽省的支持。

文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.223603。

本文轉載自：http://news.ustc.edu.cn/2020/0611/c8103a427972/page.htm。

光鑷鏈接：高速多光阱納米光鑷