Категорії
Різне

Оптична левітація наноалмазу

Фізики з Університету Рочестера (США) та Академії Або (Фінляндія) вперше здійснили експеримент з левітації наноалмазів у вакуумі і змогли добитися контролю над станом наночастинок, що можливо дозволить створити макроскопічний стан «Кота Шредінгера» для всього наноалмазу цілком, тобто змусить його знаходитися в двох станах одночасно. В якості об’єкту експерименту використовували наноалмаз діаметром 40 нанометрів.

Для його левітації застосували лазерне випромінювання, яке створювало своєрідну яму в електромагнітному полі, в якій коливався наноалмаз. Якщо наноалмаз рухався у напрямку з ями, то «схил», по якому він піднімався, був крутим, якщо спускався в яму, то «схил» робили пологим.

За словами фізиків, досягнення ідеального контролю вимагає механічно охолодити коливний наноалмаз до стану, якого вимагає левітація в умовах дуже високого вакууму.

Оптична левітація наноалмазу
Схема полів в установці (мал. Levi Neukirch, Nature Photonics, 2015)

Але експерименти продемонстрували, що за таких умов наноалмази починають випаровуватися. Дану проблему вченим ще належить вирішити. Дослідники вважають, що вона пов’язана з тим, що частинки не встигають розсіяти те тепло, яке передають їм лазери.

Під час експерименту в лабораторії Nick Vamivakas університету Rochester наноалмаз, який містить сотні азотистих вакансій, світився під час левітації під дією лазера. Команда вже продовжила дослідження і експерименти над наноалмазами з одиночних вакансій проводить у вакуумі. Вони повідомили про свої результати в Nature Photonics.

Дослідницька група на чолі з Nick Vamivakas вперше вдало здійснила левітацію окремих наноалмазів у вакуумі. Nick Vamivakas думає, що їхня робота сприяє розробці надзвичайно чутливих приладів для вимірювання малих моментів сил, а також це спосіб фізично створити великомасштабні квантові системи, відомі як макроскопічний стан Кота Шредінгера.

Інші дослідники поки потрапили в пастку з іншими типами наночасток у вакуумі, які не були оптично активними. Наноалмази, з іншого боку, може містити nitrogen – vacancy center (NV) або азото-заміщена вакансія в алмазі, які випромінюють світло, а також мають квантове число одного спина (NV-центр – точковий дефект алмазу – порушення будови кристалічної решітки алмазу, що виникає при видаленні атома вуглецю з вузла решітки, який і зв’язування утвореної вакансії з атомом азоту).

У роботі, опублікованій в Nature Photonics, вчені з Інституту оптики Рочестера пояснили цей перший крок до створення «гібридних квантових систем». Їх система поєднує в собі механічний рух наноалмазу з внутрішнього спина вакансії і його оптичні властивості, щоб зробити його особливо перспективним для ряду застосувань.

У попередній статті дослідники розказували, щонаноалмазиможуть левітуватив повітрі, використовуючи лазерні уловлювання.

Новий документ в даний час показує, що це може бути зроблено у вакуумі, вони говорять, що це «вирішальний крок уперед в порівнянні з попередніми експериментами над наноалмазами оптичного пінцета, які виконували в рідинах або при атмосферному тиску».

Наноалмази, захоплені при атмосферному тиску, безперервно перемішуються при зіткненні з молекулами повітря навколо них. Захоплення алмазів у вакуумі виключає ефект всіх цих молекул повітря. «Це дозволяє застосовувати механічне управління над ними»,- сказав Леві Neukirch, провідний автор статті, доктор філософії та студент з групи Вемивакаса в Рочестері. –«Вони перетворюються на маленькі гармонійні осцилятори.

Ми можемо виміряти положення алмазу в 3D, і ми створюємо сигнал зворотного зв’язку в залежності від положення і швидкості наноалмазів. Це дозволяє нам активно володіти цим рухом». Він сказав, що це робиться шляхом зупинки потенціалу, що видає алмаз. Утриманий потенціал можна зобразити, уявляючи алмаз на дні долини. Якщо алмаз переміщається від нижньої частини долини, вона ефективно рухається в гору і в кінцевому підсумку повертається до низу.

Механізм зворотного зв’язку дослідники створили змінюючи форму оптичного потенційної ями, так що пагорб крутий, коли алмаз піднімається, але поступово він котиться вниз. Зрештою алмаз просто коливається трохи на дні долини. Neukirch заявив, що у них є довгострокова мета: на зупинення руху алмазів до тих пір, поки в основному стані системи, що заставить цю систему поводитися як квантовий механічний осцилятор.

У їх попередніх експериментах алмаз яскраво світиться, тому що містить сотні вакансій, всі з яких випромінюють світло після того, як були схвильовані за допомогою лазера. У своїй нещодавно опублікованій роботі вони вибрали алмази, які мали кілька вакансій і навіть мали можливість вибрати діаманти з однієї вакансії.

З одного спина в NV -центрі системи, що функціонує в якості квантового механічного осцилятора, дослідники зможуть вплинути на спіновий стан крихітного дефекту усередині наноалмазів, надаючи механічного управління на весь наноалмаз. Це можливо, коли система перебуває у вакуумі, навіть при більш низькому тиску, чого дослідники змогли досягти. Стримуючим фактором було те, що наноалмази були знищені при дуже низькому тиску.

На думку дослідників, наноалмази або плавляться або сублімуються, тому при більш низькому тиску існує менше молекули повітря, щоб видалити надлишок внутрішнього тепла від алмазу, який вводять за допомогою лазера, який використовується для збудження системи, як частини експерименту.

У співпраці з командою з Abo Akademi у Фінляндії вони замінили свої голі наноалмази з наноалмазами, які укладені в кварцові оболонки, щоб знайти захист для наноалмазів.

У той же час це не вирішувало проблему, всі наноалмази робилися сферичними і однорідними, що, вважають дослідники, бажано для майбутніх експериментів.

Для того, щоб виміряти і контролювати систему, дослідники використовують два окремих лазери: один для пастки наноалмазів, інший для порушення NV-центру. Коли цей дефект розслабляє із збудженого стану в більш низький енергетичний стан, він випускає фотон. Цей процес відомий як фотолюмінесценція.

Фотолюмінесценція за рахунок енергії випромінюваного фотона дозволяє дослідникам зрозуміти, що енергетична структура системи є, а також дозволяє здійснювати контроль і мати можливість змінити енергію системи.

Дослідники мають досягти своєї мети, щоб бути в змозі охолоджувати наноалмази механічно в приземленому стані, і мають з’ясувати, як зберегти наноалмаз від зникнення в секундах при більш низькому тиску.

Але потенціал для цих систем Neukirch вважає дуже цікавим: «Ми продемонстрували здатність контролювати обертання цього NV – центру в левітації цих наноалмазів». Він пояснив, що дефекти електронів довелося взяти на конкретних спінових станах, два з яких, як правило, «вироджені», тобто в випадку стану зі спіном значення +1 або -1 мають ту ж енергію.

«Без додатка магнітного поля ці два енергетичних рівні, те ж саме, але ми можемо відокремити їх з магнітним полем, і тоді вони по-різному реагують на це. Якби не було електронів в стані спіну +1, і ви потім застосовуєте магнітне поле, всі наноалмази відчуватимуть поштовх, але якби це було в стані спіну -1 заявити він буде відчувати зволікання. Тому що спини електронів є нерозривними в квантовій механіці, вони можуть існувати в суперпозиції. Можна створити стан, в якому один спін одночасно в обох станах +1 і -1.

Якщо ми зможемо механічно розмістити наноалмази в опущеному стані, це дозволить і штовхати і тягнути на спині. Сподіваємося генерувати механічну суперпозицію всього алмазу. Це цікаве явище ще називається макроскопічним станом Кота Шредінгера». Neukirch також сказав, що левітування наноалмазів у вакуумі може бути використано для вимірювання «надзвичайно малих сил або моментів».

Наноалмази знаходяться в ефекті нано-осциляторів, і будь-яка сила, навіть якщо вона і крихітна, буде трохи переміщати їх. Neukirch також додав, що їх «установки здатні виявити ці невеликі рухи». Neukirch буде продовжувати цю роботу з метою досягнення левітації оптично активних наноалмазів, які не руйнуються при низькому тиску.

Зображення: Levi P. Neukirch et al./Nature Photonics, 2015

Див. також: Парадокс кота Шредінгера,
Поїзд JR Tokai (500 км/год)

Залишити відповідь