Левітація та керування мікрочастинками у вакуумі

Левітація як великих об'єктів, так і окремих атомів стала широко використовуваною технікою в орінауці і техніці. В останні роки багато дослідників почали вивчати новий горизонт: левітацію нано- і мікрочастинок - все ще менше діаметра одного волосся, але складаються вже з мільярдів атомів - у вакуумі.

Можливість маніпулювати і вимірювати переміщення і обертання цих об'єктів з високою точністю створила нову експериментальну платформу з унікальними можливостями для фундаментальних і прикладних досліджень.

"Наведу лише кілька прикладів: висока чутливість левітуючих об'єктів до зовнішніх сил і прискорень сприяє як розвитку сенсорів, так і пошукам нової фізики, а також повному контролю тертя і сил, що впливають на рух цих частинок, перевірці стохастичних термодинамічних гіпотез. Більш того, тертя і шум можуть бути зведені до фундаментального мінімуму за рахунок створення надвисокого вакууму, що відкриває шлях не тільки для квантового зондування і виявлення, але і для дослідження макроскопічних квантових суперпозицій в раніше незвіданому режимі великих мас ", - говорить Оріоль Ромеро з Інституту квантової оптики і квантової інформації Австрійської академії наук і факультету теоретичної фізики Університету Інсбрука. Він і його колеги опублікували статтю «Левітація та управління мікроскопічними об'єктами у вакуумі» в журналі Science.

У 2010 році методи квантової оптики були вперше запропоновані як спосіб охолодження руху левітуючої наночастинки до квантового режиму з використанням оптичного резонатора. Відтоді ці пропозиції були розроблені експериментально і доповнені реалізацією механізмів управління, заснованих на оптичних, електричних і магнітних силах.

До теперішнього часу як схеми охолодження на основі оптичного резонатора, так і схеми з активним зворотним зв'язком досягли успіху в охолодженні руху діелектричної левітуючої наночастинки до основного квантового стану, відкриваючи шлях до незвіданої квантової фізики.

Фізика, матеріалознавство та датчики

Левітація нанооб'єктів у вакуумі відкриває нові можливості для досліджень і застосувань, забезпечуючи раніше недосяжну ізоляцію від навколишнього середовища.

«Поточний набір інструментів дозволяє левітувати і керувати будь-яким типом нанооб'єктів, включаючи магніти, метали, алмази, графен, рідкі краплі і навіть надплинний гелій, за допомогою оптичних, електричних і магнітних взаємодій», - пояснює Карлос Баллестеро, науковий співробітник кафедри теоретичної фізики Університету Інсбрука.

«Ці взаємодії також надають засоби для з'єднання внутрішніх ступенів свободи (наприклад, фононів, магнонів, ексітонів) з добре контрольованими зовнішніми ступенями свободи (перенесення, обертання)».

Левитуючі системи - це чисті випробувальні стенди для матеріалознавства, де можна досліджувати і навіть спроектувати матерію в екстремальних умовах.

Крім того, левитуючі системи - ідеальна платформа для вивчення фізики нерівноваги. Поширення контролю на всі ступені свободи левитуючої частинки дозволяє зменшити джерела шуму і декогеренції.

Це відкриє двері в новий режим макроскопічної квантової фізики (наприклад, підготовка макроскопічних квантових суперпозицій об'єктів, що складаються з мільярдів атомів) і дослідження слабких сил (наприклад, передбачуваних моделями темної матерії) в ще недосліджених режимах.

Нарешті, використання левітуючих систем для надчутливого виявлення сил відкриває можливості також для комерційних додатків зондування, включаючи гравіметри, датчики тиску, датчики інерційної сили і датчики електричного/магнітного поля.