Совершен прорыв в области левитирования нанообъектов

Исследователи из Рочестера впервые добились левитирования наноалмазов в вакууме.

Научную группу возглавил Ник Вамивакас из университета Рочестера, который полагает, что его работа сделает возможным создание чрезвычайно чувствительных инструментов для ощущения мизерных сил и вращающих моментов. Также это поспособствует физическому созданию более масштабных квантовых систем — макроскопических состояний Кота Шредингера.

Ранее другие ученые уже сумели уловить другие типы наночастиц в вакууме, однако те не были оптически активными. При этом наноалмазы могут содержать азот-вакантные центры, которые испускают свет, а их спиновое квантовое число равно 1.

В статье, опубликованной в издании Nature Photonics, ученые из Рочестерского института оптики объясняют, что это — первый шаг к созданию «гибридной квантовой системы». Система комбинирует механическое движение наноалмаза с внутренним спином вакансии и его оптическими свойствами, что значительно увеличивает ее потенциал для различных применений.

Левитация в вакууме – научный прорыв

В предыдущей статье исследователи показали, что наноалмазы можно заставить левитировать с помощью улавливающего лазера. Новая статья показывает, что левитацию можно повторить в вакууме, а это уже важнейший прорыв по сравнению с прежними экспериментами с использованием наноалмазов и оптического пинцета, проводимыми в жидкостях или при атмосферном давлении.

Наноалмазы, улавливаемые в условиях атмосферного давления, непрерывно сталкиваются с молекулами воздуха вокруг них. Улавливание наноалмазов в вакууме устраняет эффект молекул воздуха.

«Все это позволяет нам осуществлять над ними механический контроль», сообщил ведущий автор статьи Леви Неукирш, аспирант. „Так они превращаются в маленькие гармонические генераторы. Мы можем измерить положение алмаза в трехмерном пространстве и формируем обратный сигнал на основе положения и скорости наноалмаза, благодаря чему активно заглушаем его движение“.

Неукирш отметил, что этого удалось добиться за счет изменения улавливающего потенциала, с которым стакивается наноалмаз. Потенциал улавливания можно проиллюстрировать, представив себе алмаз, расположенный в основании углубления. Если алмаз перемещается, то сначала движется вверх, а затем вновь скатывается вниз, на прежний уровень. Механизм обратной связи, созданный учеными, изменяет форму оптического потенциала так, что склон крут во время подъема алмаза, но становится все более пологим, когда алмаз скатывается вниз. В итоге все закончилось бы незначительным колебанием у самого основания впадины. Это, по словам ученых, и является долгосрочной целью: заглушить движение алмаза, пока он не окажется в основании впадины. Система в этом случае будет вести себя как квантово-механический генератор.

Чем меньше вакансий (дефектов) – тем выше контроль

В прежних экспериментах алмаз ярко сиял, поскольку содержал сотни вакансий, каждая из которых излучала свет после возбуждения лазером. В недавней работе ученые отобрали алмазы с незначительным числом вакансий, и даже с одной-единственной. С единственным спином в центре вакансии и системой, работающей как квантово-механический генератор, исследователи сумели бы повлиять на состояние спина крошечного дефекта в наноалмазе с помощью механического контроля над наноалмазом в целом.

Чтобы это стало возможным, система должна находиться в вакууме, и даже при наименьших давлениях. Ограничением служит то, что при слишком низком давлении наноалмазы разрушаются. Неукирш полагает, что наноалмазы тают или сублимируют, поскольку при низком давлении вокруг них недостаточно молекул воздуха, чтобы снять излишки тепла, формируемого за счет лазера, используемого для возбуждения системы в качестве части эксперимента.

Неожиданный результат

В сотрудничестве с финскими учеными из университета Abo Akademi исследователи заменили обычные наноалмазы другими наноалмазами, заключенными в кварцевые оболочки, чтобы выяснить, защитят ли они наноалмазы. И хотя проблему это не решило, наноалмазы стали гомогенными и сферическими, что, как полагают ученые, желательно для будущих экспериментов.

Чтобы измерить систему и управлять ей, исследователи использовали два отдельных лазера: один, чтобы уловить наноалмаз, и второй, чтобы воздействовать на центр вакансии. Когда дефект из возбужденного состояния переходит в низкоэнергетическое состояние, он излучает фотон. Данный процесс известен как фотолюминесценция. Она позволяет исследователям понять энергетическую структуру системы, а также контролировать и измерять энергию системы.

Прежде чем ученые смогут добиться охлаждения наноалмазов механически до стандартного состояния, они должны понять, как остановить разрушение наноалмазов при пониженных давлениях. И все же потенциал таких систем весьма велик, уверен Неукирш.

«Мы продемонстрировали способность управлять спином центра вакансий в этих левитируемых наноалмазах», заявил ученый и пояснил, что электроны дефекта должны занимать специфические спиновые состояния, два из которых обычно вырождаются, а это значит в данном случае, что состояния со спиновыми значениями +1 или -1 обладают одинаковой энергией.

Также Неукирш отметил, что левитирование наноалмазов в вакууме могло использоваться для измерения «чрезвычайно малых сил или вращающих моментов». Наноалмазы — это по сути наногенераторы, и любая сила, пусть даже совсем небольшая, немного сместит их. По словам ученого, новый метод позволит обнаруживать эти малые перемещения.