A levitação de objetos microscópicos no vácuo e o controle de seus movimentos enquanto estão suspensos foi demonstrado pela primeira vez há várias décadas. Desde então, vários grupos de pesquisa têm trabalhado em novas abordagens para controlar objetos levitados no vácuo com maiores graus de liberdade.

Embora a maioria dos experimentos conduzidos até agora tenham se baseado em técnicas ópticas, algumas equipes começaram recentemente a usar plataformas experimentais híbridas que combinam conceitos enraizados na física atômica. Essas plataformas híbridas permitem maior controle sobre o movimento de objetos levitados, desbloqueando novas possibilidades, como detecção de força e torque ou aceleração de precisão.

Pesquisadores da ETH Zurich demonstraram recentemente a levitação em alto vácuo de uma nanopartícula de sílica em um chip híbrido fotônico-elétrico. Sua plataforma experimental proposta, delineada em um artigo publicado na Nature Nanotechnology , foi considerada capaz de permitir levitação robusta, detecção precisa de posição e controle dinâmico da nanopartícula no vácuo.

"Ao isolar do ambiente e controlar com precisão objetos mesoscópicos, a levitação no vácuo evoluiu para uma técnica versátil que já beneficiou diversas direções científicas, desde detecção de força e termodinâmica até ciência de materiais e química", escreveram Bruno Melo, Marc T. Cuairan e seus colegas em seu artigo.

Apesar dos avanços recentes na levitação a vácuo e no controle de movimento de partículas, a maioria dos métodos experimentais introduzidos anteriormente dependem de estratégias complexas e/ou equipamentos volumosos. Isso limita significativamente suas aplicações no mundo real, tornando-os impraticáveis para o desenvolvimento de novas tecnologias.

Alguns pesquisadores têm tentado miniaturizar plataformas de levitação a vácuo usando armadilhas eletrostáticas e ópticas. A levitação alcançada usando a maioria de suas abordagens propostas, no entanto, não era robusta o suficiente para ser aplicada a dispositivos confinados, como criostatos e dispositivos portáteis.

Melo, Cuairan e seus colaboradores introduziram uma nova plataforma híbrida fotônica-elétrica que permite levitação robusta, detecção de posição e controle dinâmico de uma nanopartícula no chip. Em contraste com outras plataformas, seu método proposto não requer lentes volumosas e equipamentos ópticos.

"Mostramos levitação e controle de movimento em alto vácuo de uma nanopartícula de sílica na superfície de um chip híbrido óptico-eletrostático", escreveram Melo, Cuairan e seus colegas. "Ao combinar captura óptica baseada em fibra e detecção de posição sensível com amortecimento a frio por meio de eletrodos planares, resfriamos o movimento da partícula para algumas centenas de fônons."

Em testes iniciais, a plataforma de levitação a vácuo e controle de movimento no chip proposta pela equipe obteve resultados notáveis, com relações sinal-ruído e capacidades de detecção de deslocamento óptico comparáveis às de outras abordagens que dependem de equipamentos ópticos volumosos. Quando eles combinaram sua plataforma com eletrodos planares para resfriamento de feedback ativo, os pesquisadores também foram capazes de resfriar a nanopartícula de sílica e reduzir seu movimento em 3D

A nova abordagem para levitação a vácuo e controle de movimento no chip introduzida por esta equipe na ETH Zurich pode em breve abrir novas oportunidades para pesquisa quântica e desenvolvimento de tecnologia. Em seus próximos estudos, Melo, Cuairan e seus colegas planejam continuar aprimorando sua plataforma, por exemplo, usando microlentes refrativas para aumentar ainda mais sua sensibilidade de detecção e integrar elementos ópticos mais sofisticados (por exemplo, cavidades de fibra).

"Prevemos que nossa plataforma totalmente integrada seja o ponto de partida para dispositivos em chip que combinam fotônica e nanofotônica integradas com potenciais elétricos projetados com precisão, aprimorando o controle sobre o movimento das partículas em direção à preparação e leitura de estados complexos", escreveram Melo, Cuairan e seus colegas.