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在极低温下实现光镊——即使在非常低的温度下也能够远程操作微粒的技术——

2022-01-23  Wsz6868

2022年1月21日 领域:自然科学系 关键词:光镊,超流体氦,超低温,SDGs 【研究成果要点】 ◆在超流氦※1这一奇异且非常低的温度环境中,通过光镊技术※2实现了微粒的捕捉。 ◆迄今为止,光镊技术只在常温附近进行,通过整合多种实验技术,证实了在世界上首次1.4 K (负271.75℃)的非常低的温度下,光镊技术是适用的。 ◆光镊技术已经在医学、生物、化学、物理等广泛领域使用。 通过此次研究,该光镊技术将被极低温这一新前沿开拓。 此外,利用此次证实的光镊技术,也有望进行利用光操作超流体氦中量子化涡(量子涡)的应用研究。 概要 大阪大学研究生院基础工程研究科的蓑轮阳介助教、芦田昌明教授等的研究小组与名古屋大学研究生院工程研究科的龟山达矢副教授、鸟本司教授等共同,在世界上首次实现了极低温下( 1.4 K =负271.75℃)利用光镊捕捉微粒(图1 )。 光镊是指使用激光捕捉固定微粒的技术。 迄今为止,微粒的光镊技术只在常温附近进行,应用于不同温度区域成为课题。 此次,蓑轮阳介助教等研究小组通过整合多种实验方法,在世界上首次证明光镊技术适用于极低温这一环境。 由此,在医学生物化学物理中被广泛利用的光镊技术有望向低温环境发展。 图1

图2是极低温下光镊的示意图。 使用绿色激光制作微粒。 用近红外激光光镊捕捉微粒。 本研究成果将于1月21日(星期五) (日本时间)在美国科学杂志《Optica》上公开。 研究背景 微粒光镊技术在2018年获得诺贝尔物理学奖等,作为创新技术在医学、生物化学、物理等各个领域使用了半个世纪。 其适用范围非常广,在水溶液中、细胞中、真空中、超高压下等多种环境下,进行了使用光镊技术的研究。 另一方面,没有将光镊应用于非常低的温度区域的例子,成为了进一步应用开展的障碍。 研究内容 在本研究中,将使用激光烧蚀※3这一光制作微粒技术导入到超流动氦这一低温的液体中,再使用一体成型的非球面透镜,这是世界上首次显示即使在1.4 K (负271.75℃)这样非常低的温度下也能够用光镊捕捉微粒。 本研究小组通过使用激光烧蚀,实现了迄今为止困难的向超流动氦中直接导入大量纳米微粒,并成功地利用光捕捉了其中的一部分。 特别是对金这种常温光镊标准使用的材料,以及氧化锌这种透明且光镊捕捉力预期强的材料,在极低温下证实了光镊技术在各种温度环境下均可适用,是一项重要的成果。 此外,研究还表明,通过观测光镊捕获的固体纳米微粒的运动状态,也可以解析超流体氦这种粘性非常低、具有量子性质的特殊液体的性质。 本研究成果对社会的影响(本研究成果的意义) 通过本研究成果,在各个领域多年积累的光镊技术知识和技术知识可以在极低温下应用,光镊技术将开拓出新的前沿。 它也有望作为研究超流体氦这一特殊液体的基础性质的新工具。 超流体氦作为粘性非常低、具有量子性质的液体,是物性科学和流体力学的重要研究对象。 特别是超流体氦中,存在被量化的涡流即被称为“量子涡流”的一维相位减损。 此前的研究表明,超流体氦中的量子涡流会将周围存在的微粒吸引到中心(涡芯)。 被吸引的微粒继续稳定存在于量子涡流的涡芯上。 因此,在这种量子涡流和微粒群的复合结构中,通过使用本研究证实的光镊技术,可以进行用光捕捉、操作量子涡流的研究。 通过这样的量子涡流的研究,有望推进对湍流和涡流性质的普遍理解。 特别记载事项 本研究成果将于2022年1月21日(星期五) (日本时间)在美国科学杂志《Optica》(在线)上发表。 标题:“实体捕捉nanoparticles in super fluid helium” 作者姓名: Yosuke Minowa,Xi Geng,Keisuke Kokado,Kentaro Sato,Tatsuya Kameyama,Tsukasa Torimoto,and Masaaki Ashida doi:https://doi.org/10.1364/optica.447557 另外,本研究是科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业个人型研究(先驱)“利用创新性光科学技术创造最先进科学”研究领域(研究总结:田中耕一郎)的研究课题“利用光陷阱技术开拓量子流体力学”(课题编号: JPMJPR1909 ) 用语说明 ※1超流氦 通过将液氦冷却到2.1 K以下而出现的量子液体。 粘性非常小,热传导性非常高等性质。 ※2光镊技术 通过急剧地聚焦激光,能够在其聚光点周围捕捉固定微粒的技术。 ※3激光烧蚀 通过对固体照射高强度激光脉冲光,瞬间使对象固体熔融蒸发等离子体化的方法。 用于基板的微细加工和薄膜制作微粒生成等各种目的。 【蓑轮助教评论】 光镊这一具有非常长的研究历史的技术,最近开始出现了一些新的发展。 如果本研究也能承担其新开展的一部分的话,我很高兴能得出这个研究成果。 SDGs目标

参考网址 蓑轮阳介助教 研究人员总览URL https://rd.IAI.osakau.AC.jp/ja/57c 42121 a928f 885.html 大阪大学研究生院基础工学研究科芦田研究室 https://laser.MP.es.osaka-u.AC.jp 有关本案的咨询地址 <有关研究的事情> 大阪大学研究生院基础工学研究科助教蓑轮阳介 TEL:06-6850-6508 电子邮件: minowa (请在末尾加上“@mp.es.osaka-u.ac.jp”) <有关报道的事情> 大阪大学研究生院基础工学研究科总务系 TEL:06-6850-6131 电子邮件: ki-syomu [ at ] office.osaka-u.AC.jp 名古屋大学管理部总务科宣传室 TEL:052-789-3058 电子邮件: nu _ research [ at ] ADM.Nagoya-u.AC.jp 科学技术振兴机构宣传科 tel:03-5214-8404传真: 03-5214-8432 电子邮件: jst koho [ at ] jst.go.jp <关于JST事业的事> 科技振兴机构战略研究推进部绿色创新集团 嶋林裕子 

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