超流氦的光学捕获原理。来源：Minowa, Yosuke

大阪大学工程科学研究生院的科学家们首次在超流氦中使用了光学镊子。通过一束强聚焦的光，他们展示了纳米粒子在超低温度下的稳定捕获。这项工作可以帮助科学家更好地理解区分经典效应和量子效应的概念边界。

研究量子力学的奇异世界往往是困难的，因为一些最有趣的现象只发生在极端条件下。例如，当氦被冷却到非常低的温度时，它可以形成一种无粘性或无摩擦流动的超流体状态。这种变化是由于物质的量子“波状”性质，其中超冷氦原子开始协调，并表现得几乎像单个粒子。虽然人们很早就知道超流氦的存在，但它与更大物体相互作用的方式尚未得到充分研究。

超流氦中金和氧化锌纳米粒子的光学捕获。(A)线偏振激光束与浸入超流氦中的非球面透镜(L1)紧密聚焦。通过激光消融和聚焦透镜(L2)将目标纳米粒子装入超流氦中。(B)激光消融前八面体金纳米颗粒的SEM图像。(C)激光消融后射出的金纳米粒子的透射电镜图像。(D)激光消融前(红色)和后(蓝色)金纳米颗粒的大小分布。(E)激光烧蚀法制备纳米氧化锌。

现在，来自大阪大学的一组研究人员利用光学镊子对悬浮在超流体氦中的纳米颗粒进行了操作。他们能够利用这种光学捕获效应将金属和介电纳米粒子限制在超流氦中，超流氦的温度仅比绝对零度高1.4度。第一作者Yosuke Minowa说:“这个实验是光镊在超低温度下的首次成功应用，因为我们是在零下271摄氏度下工作的。”被捕获的纳米颗粒由金或氧化锌制成，大小在10到80纳米之间，可以悬浮长达30分钟。

超流氦中纳米粒子的光学捕获。(A)实验示意图。脉冲纳秒激光束通过透镜(L2)聚焦到目标基板上。负载/合成的纳米粒子分散在超流氦中，并被沉浸在超流氦中的透镜(L1)聚焦的线偏光束捕获。从光学捕获的(B)金和(C)氧化锌纳米粒子散射的光通过低温恒温器的光学窗口成像，并由CMOS相机记录。(D)估计捕获的粒子大小作为散射光功率的函数。蓝色曲线对应的是计算出的粒子尺寸与散射功率之间的关系。红色的星星显示了实验探测到的散射能力。红色虚线对应的是视觉指引。

光镊允许使用激光的强聚焦光束对微小的纳米粒子进行三维限制。这种光就像“牵引光束”，这种方法被广泛应用于物理、化学、生物和医学研究。光镊通常在室温下工作，但这项研究为新的低温应用开辟了道路。Minowa说:“我们的工作使我们能够探索量子流体和经典纳米材料之间前所未有的相互作用。”在超流氦中，会出现被称为涡流的微小漩涡，但每个漩涡只能在特定的允许值上旋转。在未来，纳米粒子可能被用来观察甚至控制这些漩涡。这项研究可能有助于更好地理解量子领域和熟悉的物理定律之间的过渡。

预期纳米粒子运动的经典近似。(A)有效径向光学势与拟合的谐波势曲线。(B)假设超流氦中纳米粒子的经典行为，期望的位置功率谱密度。

来源：Optical trapping of solid nanoparticles in superfluid helium, Optica(2022). DOI: 10.1364/OPTICA.447557