Физикам впервые удалось заставить наноалмазы левитировать в вакууме. Исследовательская группа во главе с Ником Вамивакасом (Nick Vamivakas) из университета Рочестера надеется, что эта работа поможет в дальнейшем при изготовлении чрезвычайно чувствительных приборов для измерения крайне малых сил, а также для создания крупномасштабных квантовых систем.
Прежде исследователи уже помещали некоторые типы наночастиц в вакуумные ловушки, однако они не были активированы оптически. В новом же эксперименте наноалмазы содержали азото-замещённые вакансии (NV-центры), которые излучают свет при переходе в возбуждённое состояние и имеют спиновое квантовое число равное единице.
Новая работа демонстрирует, что левитация наноалмазов может быть осуществима не только в воздухе, как это делалось раньше, но и в вакууме. Это оценивается как "важнейший шаг вперёд по сравнению с предыдущими экспериментами с оптической манипуляцией наноалмазами".
Наноалмазы, захваченные при атмосферном давлении, непрерывно сталкиваются с молекулами воздуха вокруг них и возбуждаются. Захват алмазов в вакууме сводит на нет эффект любого воздействия молекул окружающих газов.
"Это позволяет нам механически управлять ими, — говорит Леви Неукирч (Levi Neukirch), ведущий автор исследования. — Наноалмазы фактически превращаются в маленькие гармонические осцилляторы. Мы можем измерить положение алмаза в трёхмерном пространстве и сгенерировать сигнал обратной связи в зависимости от положения и скорости движения наноалмаза. Таким образом можно заглушать его колебания".
Как рассказывают автор исследования, эксперимент проводился путём изменения эффективного потенциала. Чтобы понять, что это такое, учёные предлагают представить алмаз "сидящим" в низине: он может легко закатываться на гору, но, в конечном счёте, всё равно скатиться вниз к подножию.
Исследователи создали особый механизм обратной связи, который делает гору крутой, когда наноалмаз закатывается наверх, но она становится пологой, когда алмаз катится вниз. Теоретически, в конечном итоге это должно привести к тому, что уже у самого подножия горы наноалмаз начинает колебаться то вверх, то вниз. А в таком случае система начнёт вести себя как квантовомеханический осциллятор.
В ходе предыдущих экспериментов алмазы ярко сияли, так как содержали сотни NV-центров, которые начинали излучать свет после того, как их возбуждали лазером. В алмазах, использованных в новом эксперименте, было всего несколько NV-центров (в некоторых алмазах — всего один). С помощью единичного спина в NV-центре и системы, функционирующей в качестве квантовомеханического осциллятора, учёные должны повлиять на спиновое состояние крошечного дефекта внутри наноалмазов, что позволит управлять и всем наноалмазом.
Чтобы осуществить это на практике, вся система должна находиться в вакууме, а также в условиях низкого давления — притом гораздо более низкого, чем можно достичь в лабораторных условиях. Основная проблема заключается в том, что наноалмазы попросту разрушаются при столь низких давлениях.
Попытавшись разрешить эту проблему, учёные заменили обычные наноалмазы наноалмазами, которые были заключены в кварцевую оболочку. Это позволило придать им сферическую форму и сделать их однородными, хоть проблемы такая оболочка и не решила. Учёные отмечают, что это поможет им в будущих экспериментах.
Для того, чтобы измерить и контролировать систему, исследователи использовали два отдельных лазера: один создаёт ловушку для наноалмазов, другой — возбуждает NV-центры. Когда дефекты переходят от возбуждённого состояния к более низкоэнергетическому состоянию, они испускают фотон. Этот процесс известен как фотолюминесценция.
Фотолюминесценция позволяет исследователям определить по энергии излучаемого фотона энергетическую структуру системы, а также контролировать и изменять энергию этой системы. Так и осуществляется "левитация".
Прежде, чем исследователи смогут достичь своей окончательной цели и вернуть наноалмазы к первоначальному энергетическому состоянию, они должны будут выяснить, как предотвратить разрушение наноалмазов при низком давлении.
"Мы продемонстрировали способность контролировать спин NV-центров в левитирующих наноалмазах. Но нам ещё многое сделать", — заключает Неукирч.
Левитирующие в вакууме наноалмазы могут быть использованы для измерения "чрезвычайно малых сил или крутящих моментов", как поясняют исследователи: поскольку наноалмазы, по сути, играют роль наноосцилляторов, на их положение будет воздействовать абсолютно любая, даже самая слабая сила, и её можно будет зарегистрировать и измерить.
Описание эксперимента было опубликовано в журнале Nature Photonics.
