我科学家对单个微纳粒子质量和位置实现高精度测量

记者从中国科大获悉，该校郭光灿院士团队与合作者合作，基于真空光镊系统实验实现了高精度全光学的质量和位置测量。该研究成果日前发表在物理学知名期刊《物理学评论快报》上。

光学检测已经成为当前科学以及应用领域最精密的测量方法，如引力波的探测以及光镊技术在生物中的操控和测量，都已经获得了诺贝尔物理学奖。真空光镊技术就是通过在真空环境中光学悬浮微纳颗粒，能最大程度隔绝环境噪声对测量过程的干扰，进一步提高测量稳定性和灵敏度，可实现力、质量等物理量的高精度测量。

在真空光镊体系中，悬浮粒子的运动行为操控以及将测量信号转换为实际位移的校准过程是其两项核心技术。但是，运动行为操控的不完美以及信号校准的误差将直接导致测量灵敏度和准确度的降低，在微纳尺度下，粒子质量和外加力的测量是相当困难，且测量或估算误差较大。

科研人员基于幅值锁定技术，通过精确测量一颗直径约为150nm的悬浮二氧化硅小球的非线性频率移动，获得了该粒子振动幅值的精确值，从而实现了高精度高准确度的运动信号校准。紧接着，他们利用该高精度校准的真空光镊系统实现了亚皮米级灵敏度的位置测量和飞克量级微粒的质量测量，其测量结果的相对不确定度分别可达1%和2.2%。该位置与质量测量不确定度是当前相关测量体系所能获得的最好水平。此外，他们还实现了单个微粒的尺寸和密度的测量，为获取微纳尺度物质的参数和性能提供了新的方法。

该工作成果为实现高可控性的真空光镊体系打下了重要实验基础，为精密测量、微观尺度热力学以及光力相互作用等研究提供了重要实验平台。基于这项高可控性的真空光镊体系，还将可能实现宏观量子叠加态，并进一步提高相关物理量的测量极限。