Три наностеклянные сферы удерживаются друг возле друга, образуя подобие башни. Они похожи на три шарика мороженого, сложенных друг на друга, только намного меньше. Диаметр нанокластера в десять раз меньше диаметра человеческого волоса.
С помощью оптического устройства и лазерных лучей исследователи из ETH Zurich смогли удержать такие объекты почти полностью неподвижными в состоянии левитации. Это имеет большое значение для будущей разработки квантовых датчиков, которые вместе с квантовыми компьютерами представляют наиболее перспективные направления применения квантовых исследований.
Работа команды опубликована в журнале Nature Physics.
В рамках эксперимента по левитации исследователи под руководством адъюнкт-профессора фотоники Мартина Фримера смогли устранить гравитационную силу, действующую на стеклянные сферы. Однако вытянутый нанообъект всё равно дрожал, подобно тому как стрелка компаса движется при остановке. В случае нанокластера колебательные движения были очень быстрыми, но слабыми: объект совершал около миллиона отклонений в секунду, каждое из которых составляло всего несколько тысячных долей градуса. Это крошечное вращательное колебание — фундаментальное квантовое движение, которое демонстрируют все объекты, физики называют его нулевыми колебаниями.
«Согласно принципам квантовой механики, ни один объект не может оставаться абсолютно неподвижным», — объясняет Лоренцо Даня, постдок в группе Фримера и первый автор исследования. «Чем больше объект, тем меньше эти нулевые колебания и тем сложнее их наблюдать».
До настоящего времени никому не удавалось обнаружить такие крошечные движения для объекта такого размера так же точно, как это сделали исследователи из ETH. Они достигли этого, потому что смогли в значительной степени устранить все движения, которые возникают в области классической физики и мешают наблюдению квантовых движений. Исследователи из ETH приписывают 92% движений кластера в своём эксперименте квантовой физике и 8% — классической физике; поэтому они говорят о высоком уровне квантовой чистоты.
«Предварительно мы не ожидали достичь такого высокого уровня квантовой чистоты», — объясняет Даня.
И на этом рекорды не заканчиваются: исследователи провели всё это при комнатной температуре. Обычно квантовые исследователи охлаждают свои объекты до температуры, близкой к абсолютному нулю (−273 градуса Цельсия), используя специальное оборудование. Здесь этого не потребовалось.
Фример проводит аналогию: «Это как если бы мы построили новое транспортное средство, которое перевозит больше груза, чем традиционные грузовики, и в то же время потребляет меньше топлива».
Многие исследователи изучают квантовые эффекты в отдельных атомах или небольших группах атомов, Фример и его группа работают с относительно крупными объектами. Их кластер наночастиц может быть крошечным в повседневном понимании, но он состоит из нескольких сотен миллионов атомов, что делает его огромным с точки зрения квантового физика. Интерес к объектам такого размера частично обусловлен надеждами на будущие применения в квантовых технологиях.
Исследователи смогли левитировать свои наночастицы с помощью так называемого оптического пинцета. В этом процессе частица помещается в вакуум в прозрачный контейнер. Линза используется для фокусировки поляризованного лазерного света в точке внутри этого контейнера. В этой точке фокусировки частица выравнивается с электрическим полем поляризованного лазера и таким образом остаётся стабильной.
«То, чего мы достигли, — это идеальное начало для дальнейших исследований, которые однажды могут быть использованы в приложениях», — говорит Фример.
Для таких приложений сначала нужна система с высокой квантовой чистотой, в которой можно успешно подавить все внешние помехи и контролировать движения желаемым образом, утверждает он, добавляя, что это теперь достигнуто. Затем можно будет обнаруживать квантово-механические эффекты, измерять их и использовать систему для квантово-технологических приложений.
Возможные приложения включают фундаментальные исследования в физике для разработки экспериментов по изучению взаимосвязи между гравитацией и квантовой механикой. Также возможно разработать датчики для измерения крошечных сил, таких как силы, действующие на молекулы газа или даже элементарные частицы. Это было бы полезно при поиске тёмной материи.
«Теперь у нас есть система, которая относительно проста, экономически эффективна и хорошо подходит для этой цели», — говорит Фример.
В отдалённом будущем квантовые датчики также можно будет использовать в медицинской визуализации. Есть надежда, что они смогут обнаруживать слабые сигналы в средах, где в противном случае измерительные приборы улавливают в основном фоновый шум. Ещё одним потенциальным применением могут быть датчики движения, которые облегчат навигацию транспортных средств даже при отсутствии контакта со спутником GPS.
Для большинства этих приложений квантовую систему необходимо будет миниатюризировать. По словам исследователей из ETH, это возможно в принципе. В любом случае они нашли способ достичь желаемого контролируемого квантового состояния без трудоёмкого, дорогостоящего и энергоёмкого охлаждения.
Предоставлено: ETH Zurich.