Nowy kamień milowy w optomechanice lewitowanej dokonała grupa prof. Tongcang Li, która zaobserwowała fazę Berry’ego spinów elektronów w nanodiamentach lewitujących w próżni.
Fizycy z Purdue urządzają najmniejszą dyskotekę na świecie. Sama kula dyskotekowa to fluorescencyjny nanodiament, który lewitowali i obracali z niewiarygodnie dużą prędkością. Fluorescencyjny diament emituje i rozprasza wielokolorowe światło w różnych kierunkach, gdy się obraca. Grupa kontynuuje badania wpływu szybkiej rotacji na kubity spinowe w swoim układzie i jest w stanie obserwować fazę Berry’ego.
Zespół kierowany przez Tongcanga Li, profesora fizyki i astronomii oraz inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Purdue, opublikował swoje wyniki w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza. Recenzenci publikacji opisał tę pracę jako „prawdopodobnie przełomowy moment w badaniach wirujących układów kwantowych i lewitodynamiki” oraz „nowy kamień milowy dla społeczności lewitowanej optomechaniki”.
„Wyobraźcie sobie maleńkie diamenty unoszące się w pustej przestrzeni lub próżni. Wewnątrz tych diamentów znajdują się kubity spinowe, których naukowcy mogą używać do dokonywania precyzyjnych pomiarów i badania tajemniczego związku między mechaniką kwantową a grawitacją” – wyjaśnia Li, który jest także członkiem Instytutu Nauki i Inżynierii Kwantowej Purdue. „W przeszłości eksperymenty z pływającymi diamentami powodowały problemy w zapobieganiu ich utracie w próżni i odczytywaniu kubitów spinowych. Jednak w naszej pracy udało nam się lewitować diament w wysokiej próżni za pomocą specjalnej pułapki jonowej. Po raz pierwszy mogliśmy obserwować i kontrolować zachowanie kubitów spinowych wewnątrz lewitującego diamentu w wysokiej próżni”.
Obserwowanie fazy jagodowej
Zespół sprawił, że diamenty obracały się niewiarygodnie szybko – aż do 1,2 miliarda razy na minutę! Robiąc to, byli w stanie zaobserwować, jak rotacja wpływa na kubity spinowe w unikalny sposób, znany jako faza Berry’ego.
„Ten przełom pomaga nam lepiej zrozumieć i zbadać fascynujący świat fizyki kwantowej” – mówi.
Fluorescencyjne nanodiamenty o średniej średnicy około 750 nm wytworzono w drodze syntezy pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze. Diamenty te napromieniowano elektronami o wysokiej energii, aby utworzyć centra barwne wolne od azotu, w których znajdują się kubity spinowe elektronów. Oświetlone zielonym laserem emitowały czerwone światło, które służyło do odczytywania stanów spinów elektronów. W stronę lewitowanego nanodiamentu naświetlono dodatkowy laser podczerwony, aby monitorować jego rotację. Podobnie jak kula dyskotekowa, gdy nanodiament się obracał, zmieniał się kierunek rozproszonego światła podczerwonego, niosąc informację o obrocie nanodiamentu.
Autorzy tego artykułu pochodzili głównie z Uniwersytetu Purdue i są członkami grupy badawczej Li: Yuanbin Jin (postdoc), Kunhong Shen (doktorant), Xingyu Gao (doktorant) i Peng Ju (niedawny absolwent studiów doktoranckich). Li, Jin, Shen i Ju wymyślili i zaprojektowali projekt, a Jin i Shen zbudowali konfigurację. Następnie Jin przeprowadził pomiary i obliczenia, a zespół wspólnie omówił wyniki. Dwóch autorów spoza Purdue to Alejandro Grine, główny pracownik techniczny w Sandia National Laboratories i Chong Zu, adiunkt na Washington University w St. Louis. Zespół Li omówił wyniki eksperymentu z Grine i Zu, którzy przedstawili sugestie dotyczące ulepszenia eksperymentu i manuskryptu.
„Przy projektowaniu naszej zintegrowanej powierzchniowej pułapki jonowej” – wyjaśnia Jin – „użyliśmy komercyjnego oprogramowania COMSOL Multiphysics do przeprowadzenia symulacji 3D. Obliczamy pozycję pułapki i transmitancję mikrofalową przy użyciu różnych parametrów, aby zoptymalizować projekt. Dodaliśmy dodatkowe elektrody, aby wygodnie kontrolować ruch lewitującego diamentu. Do produkcji powierzchniowa pułapka jonowa jest wytwarzana na płytce szafirowej przy użyciu fotolitografii. Na płytce szafirowej osadzona jest warstwa złota o grubości 300 nm, która tworzy elektrody powierzchniowej pułapki jonowej.
Kontrolowanie obrotu diamentu
W którą stronę wirują diamenty i czy można manipulować ich prędkością lub kierunkiem? Shen mówi, że tak, mogą regulować kierunek wirowania i lewitację.
„Możemy dostosować napięcie sterujące, aby zmienić kierunek wirowania” – wyjaśnia. „Lewitowany diament może obracać się wokół osi z (która jest prostopadła do powierzchni pułapki jonowej), pokazanej na schemacie, zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, w zależności od naszego sygnału sterującego. Jeśli nie zastosujemy sygnału sterującego, diament będzie wirował we wszystkich kierunkach, jak kłębek przędzy.
Zaproponowano lewitowane nanodiamenty z osadzonymi kubitami spinowymi do precyzyjnych pomiarów i tworzenia dużych superpozycji kwantowych w celu sprawdzenia granic mechaniki kwantowej i kwantowej natury grawitacji.
„Ogólna teoria względności i mechanika kwantowa to dwa z najważniejszych przełomów naukowych XX wiekut wiek. Jednak nadal nie wiemy, w jaki sposób można by skwantować grawitację” – mówi Li. „Osiągnięcie możliwości eksperymentalnego badania grawitacji kwantowej byłoby ogromnym przełomem. Ponadto obracające się diamenty z osadzonymi kubitami spinowymi stanowią platformę do badania sprzężenia między ruchem mechanicznym a spinami kwantowymi”.
Odkrycie to może mieć ogromny wpływ na zastosowania przemysłowe. Li twierdzi, że lewitowane w próżni cząstki w skali mikro i nano mogą służyć jako doskonałe akcelerometry i czujniki pola elektrycznego. Na przykład Laboratorium Badawcze Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych (AFRL) wykorzystuje lewitowane optycznie nanocząstki do opracowywania rozwiązań kluczowych problemów w nawigacji i komunikacji.
„Na Uniwersytecie Purdue dysponujemy najnowocześniejszym zapleczem do prowadzenia badań nad optomechaniką lewitacji” – mówi Li. „Posiadamy dwa wyspecjalizowane, samodzielnie zbudowane systemy dedykowane temu obszarowi nauki. Dodatkowo mamy dostęp do wspólnych obiektów w Centrum Nanotechnologii Birck, co pozwala nam wyprodukować i scharakteryzować zintegrowaną powierzchniową pułapkę jonową na terenie kampusu. Mamy również szczęście, że mamy utalentowanych studentów i postdoktorów, którzy są w stanie prowadzić nowatorskie badania. Co więcej, moja grupa pracuje w tej dziedzinie od dziesięciu lat, a nasze bogate doświadczenie pozwoliło nam poczynić szybkie postępy.”
Odniesienie: „Kontrola kwantowa i faza Berry’ego spinów elektronów w obracających się lewitowanych diamentach w wysokiej próżni”, Yuanbin Jin, Kunhong Shen, Peng Ju, Xingyu Gao, Chong Zu, Alejandro J. Grine i Tongcang Li, 13 czerwca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49175-3
Badania te były wspierane przez National Science Foundation (grant nr PHY-2110591), Office of Naval Research (grant nr N00014-18-1-2371) oraz Fundację Gordona i Betty Moore (grant DOI 10.37807/gbmf12259). Projekt jest również częściowo wspierany przez program badań i rozwoju ukierunkowanych na laboratorium w Sandia National Laboratories.
