Парящие частицы в вакууме

В последние годы многие исследователи начали исследовать новый горизонт: левитацию нано- и микрочастиц — все еще меньше диаметра одного волоса, но состоящих из миллиардов атомов — в вакууме.

Возможность манипулировать и измерять перемещение и вращение этих объектов с высокой точностью создала новую экспериментальную платформу с уникальными возможностями для фундаментальных и прикладных исследований.

«Приведу лишь несколько примеров: высокая чувствительность левитирующих объектов к внешним силам и ускорениям способствует развитию сенсоров и поиску новой физики, а также полному контролю трения и сил, влияющих на движение этих частиц, проверке стохастических термодинамических гипотез. .

Более того, трение и шум могут быть сведены к фундаментальному минимуму за счет создания сверхвысокого вакуума, открывающего путь не только для квантового зондирования и обнаружения, но и для исследования макроскопических квантовых суперпозиций в ранее неизведанном режиме больших масс », — говорит Ориоль Ромеро-Изарт. из Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук и факультета теоретической физики Университета Инсбрука.

Охлажден в основное квантовое состояние

В 2010 году методы квантовой оптики были впервые предложены как способ охлаждения движения левитирующей наночастицы до квантового режима с использованием оптического резонатора.

С тех пор эти предложения были разработаны экспериментально и дополнены реализацией механизмов управления, основанных на оптических, электрических и магнитных силах.

К настоящему времени как схемы охлаждения на основе оптического резонатора, так и схемы с активной обратной связью преуспели в охлаждении движения диэлектрической левитирующей наночастицы до основного квантового состояния, открывая путь к неизведанной квантовой физике.

Физика, материаловедение и датчики

Левитация нанообъектов в высоком вакууме открывает новые возможности для исследований и применений, обеспечивая ранее недостижимую изоляцию от окружающей среды.

«Текущий набор инструментов позволяет левитировать и контролировать любые нанообъекты, включая магниты, металлы, алмазы, содержащие центры окраски, графен, жидкие капли и даже сверхтекучий гелий, посредством оптических, электрических и магнитных взаимодействий», — объясняет Карлос Гонсалес. Баллестеро, научный сотрудник кафедры теоретической физики Университета Инсбрука.

«Эти взаимодействия также предоставляют средства для связывания внутренних степеней свободы (например, фононов, магнонов, экситонов) с хорошо контролируемыми внешними степенями свободы (перенос, вращение)».

Левитирующие системы — это чистые испытательные стенды для материаловедения, где можно исследовать и даже спроектировать материю в экстремальных условиях. Кроме того, левитирующие системы — идеальная платформа для изучения физики неравновесия. Распространение контроля на все степени свободы левитирующей частицы позволяет уменьшить источники шума и декогеренции.

Это откроет дверь в новый режим макроскопической квантовой физики (например, подготовка макроскопических квантовых суперпозиций объектов, состоящих из миллиардов атомов) и исследование слабых сил (например, предсказываемых моделями темной материи) в еще неизученных режимах. Наконец, использование левитирующих систем для сверхчувствительного обнаружения сил открывает возможности также для коммерческих приложений зондирования, включая гравиметры, датчики давления, датчики инерционной силы и датчики электрического / магнитного поля.