Версия для слабовидящих
Лазер заставил наноалмазы левитировать в вакууме Печать Email
Новости науки
10.09.2015

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 (https://ru.wikipedia.org/wiki/Спин) 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.

Источник - http://www.vesti.ru/doc.html?id=2661970

 

Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта