Физики из Университета Пердью устроили самую маленькую в мире дискотеку. Их диско-шар представляет собой флуоресцентный наноалмаз, который они заставили левитировать и вращали на невероятно высоких скоростях. При вращении флуоресцентный алмаз излучает и рассеивает разноцветные огни в разных направлениях. Пока шла вечеринка, учёные изучали влияние быстрого вращения на спиновые кубиты в их системе и наблюдали фазу Берри. Команда под руководством Тонгканга Ли, профессора физики и астрономии, а также электротехники и компьютерной инженерии Университета Пердью, опубликовала свои результаты в журнале Nature Communications. Рецензенты публикации назвали эту работу «возможно, новаторским моментом в изучении вращающихся квантовых систем и левитодинамики» и «новой вехой для сообщества левитирующей оптомеханики».

«Представьте себе крошечные алмазы, плавающие в пустоте, в вакууме. Внутри этих алмазов находятся спиновые кубиты, которые учёные могут использовать для проведения точных измерений и изучения загадочной связи между квантовой механикой и гравитацией, — объясняет Ли, который также является членом Института квантовых наук и инженерии Пердью. — В прошлом в экспериментах с этими плавающими алмазами возникали проблемы с предотвращением их потери в вакууме и считыванием спиновых кубитов. Однако в нашей работе мы успешно левитировали алмаз в высоком вакууме с помощью специальной ионной ловушки. Впервые мы смогли наблюдать и контролировать поведение спиновых кубитов внутри левитирующего алмаза в высоком вакууме».

Команда заставила алмазы вращаться невероятно быстро — до 1,2 миллиарда раз в минуту! Благодаря этому они смогли наблюдать, как вращение влияет на спиновые кубиты уникальным способом, известным как фаза Берри.

«Этот прорыв помогает нам лучше понять и изучить увлекательный мир квантовой физики», — говорит он.

Флуоресцентные наноалмазы со средним диаметром около 750 нм были получены путём высокотемпературного синтеза при высоком давлении. Эти алмазы были облучены высокоэнергетическими электронами для создания азотно-вакансионных цветовых центров, в которых размещаются электронные спиновые кубиты. При освещении зелёным лазером они излучали красный свет, который использовался для считывания их электронных спиновых состояний. Дополнительный инфракрасный лазер светил на левитирующий наноалмаз, чтобы следить за его вращением. Подобно диско-шару, при вращении наноалмаза направление рассеянного инфракрасного света менялось, неся информацию о вращении наноалмаза.

Авторы этой статьи в основном работают в Университете Пердью и являются членами исследовательской группы Ли: Юаньбин Цзинь (постдок), Куньхун Шэнь (аспирант), Синьюй Гао (аспирант) и Пэн Цзюй (недавний выпускник аспирантуры). Ли, Цзинь, Шэнь и Цзю задумали и разработали проект, а Цзинь и Шэнь построили установку. Впоследствии Цзинь выполнил измерения и расчёты, а команда коллективно обсудила результаты. Два автора, не являющиеся сотрудниками Пердью, — это Алехандро Грине, главный технический сотрудник Сандийской национальной лаборатории, и Чонг Зу, доцент Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Команда Ли обсудила результаты эксперимента с Грином и Зу, которые внесли свои предложения по улучшению эксперимента и рукописи.

«Для проектирования нашей интегрированной поверхностной ионной ловушки, — объясняет Цзинь, — мы использовали коммерческое программное обеспечение COMSOL Multiphysics для 3D-моделирования. Мы рассчитали положение ловушки и микроволновое пропускание, используя различные параметры для оптимизации конструкции. Мы добавили дополнительные электроды, чтобы удобно управлять движением левитирующего алмаза. Для изготовления поверхностная ионная ловушка была изготовлена на сапфировой пластине с помощью фотолитографии. На сапфировую пластину наносится слой золота толщиной 300 нм для создания электродов поверхностной ионной ловушки».

Иллюстрация алмазной частицы, левитирующей над поверхностной ионной ловушкой. Флуоресцентная алмазная наночастица приводится во вращение с высокой скоростью (до 1,2 миллиарда оборотов в минуту) переменным напряжением, приложенным к четырём угловым электродам. Это быстрое вращение вызывает фазу в спинах электронов азотной вакансии внутри алмаза. На диаграмме в левом верхнем углу показана атомная структура дефекта спина азота-вакансии внутри алмаза.

Так в какую сторону вращаются алмазы и можно ли управлять их скоростью или направлением? Шен говорит, что да, они могут регулировать направление вращения и левитацию.

«Мы можем регулировать управляющее напряжение, чтобы изменить направление вращения, — объясняет он. — Левитированный алмаз может вращаться вокруг оси z (которая перпендикулярна поверхности ионной ловушки), как показано на схеме, по часовой стрелке или против часовой стрелки в зависимости от нашего управляющего сигнала. Если мы не будем подавать управляющий сигнал, алмаз будет вращаться всенаправленно, как клубок пряжи».

Левитирующие наноалмазы со встроенными спиновыми кубитами были предложены для точных измерений и создания больших квантовых суперпозиций для проверки пределов квантовой механики и квантовой природы гравитации.

«Общая теория относительности и квантовая механика — два самых важных научных открытия XX века. Однако мы до сих пор не знаем, как гравитация может быть квантована, — говорит Ли. — Достижение возможности экспериментального изучения квантовой гравитации стало бы огромным прорывом. Кроме того, вращающиеся алмазы со встроенными спиновыми кубитами представляют собой платформу для изучения связи между механическим движением и квантовыми спинами».

Это открытие может иметь эффект пульсации в промышленных приложениях. Ли говорит, что левитирующие микро- и наночастицы в вакууме могут служить отличными акселерометрами и датчиками электрического поля. Например, Исследовательская лаборатория ВВС США (AFRL) использует оптически левитирующие наночастицы для разработки решений критических проблем в области навигации и связи.

«В Университете Пердью мы располагаем самым современным оборудованием для исследований в области левитирующей оптомеханики, — говорит Ли. — У нас есть две специализированные самодельные системы, предназначенные для этой области исследований. Кроме того, у нас есть доступ к общему оборудованию в Нанотехнологическом центре Бирка, что позволяет нам изготавливать и определять характеристики интегрированной поверхностной ионной ловушки на территории кампуса. Нам также повезло, что у нас есть талантливые студенты и постдоки, способные проводить передовые исследования. Кроме того, моя группа работает в этой области уже десять лет, и наш богатый опыт позволил нам добиться быстрого прогресса».

Физики провели самую маленькую в мире дискотеку