Левитирующие наноалмазы вращаются со скоростью 1,2 миллиарда оборотов в минуту
Физики из Университета Пердью (Purdue University) подняли в воздух наноразмерные алмазы, поразили их лазерами, заставив их сверкать и вращаться с невероятной скоростью 1,2 миллиарда оборотов в минуту. Эксперименты направлены не только на установление рекордов, но и могут помочь в изучении квантовой физики.
Крошечные алмазы средним размером 750 нанометров сначала производятся под высоким давлением и температурой. Затем их облучают высокоэнергетическими электронами, чтобы создать так называемый дефект азотных вакансий, который можно использовать для хранения квантовой информации.
Чтобы заставить наноалмазы левитировать, команда ученых создала поверхностную ионную ловушку, нанеся тонкий слой золота на сапфировую пластину, а затем вытравив золото в форме «омеги» (Ω). Когда электрический ток пропускается через золото, он создает электромагнитное поле, которое может поднять в воздух наноалмаз, помещенный над поверхностью в вакуумной камере.
«Мы можем регулировать напряжение возбуждения, чтобы изменить направление вращения», — говорит Кунхун Шен, автор исследования. «Левитирующий алмаз может вращаться вокруг оси Z (которая перпендикулярна поверхности ионной ловушки), показанной на схеме, либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, в зависимости от нашего движущего сигнала. Если мы не подадим управляющий сигнал, алмаз будет вращаться во всех направлениях, как клубок ниток».
При этом исследователям удалось заставить наноалмазы вращаться со скоростью до 1,2 миллиарда оборотов в минуту. Хотя это довольно впечатляюще, это далеко не самый быстро вращающийся объект – та же самая команда в настоящее время удерживает этот рекорд с наноразмерной «гантелью», которая вращалась со скоростью 300 миллиардов оборотов в минуту.
Но исследование наноалмазов имеет более практическую цель, чем просто стремление к мировому рекорду. Когда вращающиеся алмазы освещаются зеленым лазером, они излучают собственный красный свет, что позволяет ученым считывать спиновые состояния электронов внутри их дефектов.
В то же время на алмазы был направлен инфракрасный лазер, и характер рассеяния света подсказал ученым, как они вращаются. Сравнение двух измерений позволяет сделать вывод, как вращение алмазов влияет на квантовую информацию, содержащуюся в их дефектах.
«Представьте себе крошечные алмазы, плавающие в пустом пространстве или вакууме», — сказал Тонгкан Ли, ведущий автор исследования. «Внутри этих алмазов находятся спиновые кубиты, которые ученые могут использовать для точных измерений и изучения загадочной связи между квантовой механикой и гравитацией.
-В прошлом эксперименты с этими плавающими алмазами не позволяли предотвратить их потерю в вакууме и считывание спиновых кубитов. Однако в нашей работе мы успешно левитировали алмаз в вакууме с помощью специальной ионной ловушки. Впервые мы смогли наблюдать и контролировать поведение спиновых кубитов внутри левитирующего алмаза в глубоком вакууме».
Главный вопрос, который ученые надеется исследовать, заключается в том, как гравитацию можно объяснить в квантовых терминах, что остается одной из самых актуальных проблем в физике.
«Общая теория относительности и квантовая механика — два важнейших научных прорыва ХХ века. Однако мы до сих пор не знаем, как можно квантовать гравитацию», — говорит Тонгкан Ли. «Достижение возможности экспериментального изучения квантовой гравитации было бы огромным прорывом. Кроме того, вращающиеся алмазы со встроенными спиновыми кубитами предоставляют платформу для изучения связи между механическим движением и квантовыми спинами».
Это открытие также может иметь эффект в промышленном применении. Ученые говорят, что левитирующие микро- и наночастицы в вакууме могут служить отличными акселерометрами и датчиками электрического поля.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.