中国科大实现基于光悬浮纳米颗粒的气压测量 2024-10-25

        中国科学技术大学物理学院、中科院量子信息重点实验室孙方稳教授、郑瑜特任副研究员团队利用对光悬浮纳米颗粒的运动能量的相关性分析，实现了从大气压到7E-6 mbar范围的气压高精度连续测量。相关成果以“Nanoscale vacuum gauge based on second-order coherence in optical levitation” 为题，以Letter的形式发表在国际学术期刊《Physical Review Applied》 上。

图1 利用位移平方功率谱实现二阶相关性分析

       气压测量分为直接测量和间接测量两种类型。直接测量来源于压力的力学定义，即通过测量介质作用在测量单元上的力来实现。间接测量则通过测量不同气压所引起的其它物理现象的变化而实现。比如通过测量待测环境中的热导率或电子散射率，来推算当前环境下的气压值。通常，间接测量能够提供大范围，特别是高真空环境下的气压测量。但受限于其测量原理，间接测量的气压测量准确性通常不高。直接测量可以实现很高的测量精度。但随着气压的降低，作用在传感器上的力越来越小，这使得基于测力的气压测量方案难以在高真空环境中实现。同时，单一的直接测量气压传感器受到力测量动态范围的限制，很难实现大量程范围的气压测量。

       真空光悬浮体系是一种利用光力原理在真空或大气环境中悬浮微纳颗粒的光机械体系。利用悬浮颗粒的超小质量和基于光学干涉的颗粒运动状态探测，真空光悬浮体系可以实现接近物理极限的力测量灵敏度。通过测量空气分子施加在悬浮颗粒上的阻力和随机力对悬浮颗粒振荡所造成的退相干速率，光悬浮系统可以获得其所处环境中的气压。然而，现实系统的不理想性阻碍了光悬浮颗粒作为气压测量装置的可行性，特别是光势阱非线性和系统不稳定性等。它们为悬浮谐振子提供了额外的退相干来源，阻碍了对气压相关退相干速率的测量。

图2 光悬浮纳米气压测量的结果与商用气压计测量结果之间的比较

       为了解决这个问题，我们的研究人员从量子光学的二阶相关性分析中获得灵感，提出利用悬浮谐振子的二阶相关性分析来分离不同退相干来源的分析方法。谐振子的退相干过程可以被分为能量退相干和相位退相干两类。空气分子对悬浮颗粒的作用会同时引起这两类退相干过程。而光势阱非线性等除此之外的噪声作用，通常只产生相位退相干。与同时受两种退相干过程影响的一阶相关性分析不同。二阶相关性分析可以单独测量能量退相干速率，从而排除了气压相关退相干过程之外的噪声影响。

       通过对谐振子运动轨迹的平方进行功率谱分析，我们就可以实现对待测系统的二阶相关性分析。系统的能量退相干速率体现在了位移平方功率谱（简称sdPSD）的零频峰展宽上。通过合理的设置sdPSD的拟合条件，可以在任意气压范围内准确的获得系统当前的退相干速率，从而获得系统当前的气压。通过这种方法，研究团队利用同一个光悬浮纳米颗粒实现了从一个大气压到7E-6 mbar跨随8个数量级范围的气压测量。并给出了系统的气压测量误差理论公式。与其它基于力学量测量的直接气压测量方式相比，这种方法能够实现了更大的气压测量范围。此外，该气压测量方法使用的sdPSD分析方法，也为微机械系统参数标定提供了一种新的方式。

       中国科大博士研究生刘吕航为本文的第一作者，中国科大郑瑜特任副研究员为本文的通信作者。本研究工作得到了国家自然基金委和中科院青年团队项目等的资助。