سریع‌ترین نانوالماس‌های چرخان جهان اسرار کوانتومی را فاش می‌کنند

خلاصه خبر:

فیزیکدانان دانشگاه پردو با معلق کردن و چرخاندن نانوالماس‌های فلورسنت با سرعت‌های بالا، تا 1.2 میلیارد دور در دقیقه، پیشرفت چشمگیری داشته‌اند. این دستاورد به آنها اجازه داد تا فاز Berry را مطالعه کنند، یک اثر کوانتومی مشاهده شده در کیوبیت های اسپینی داخل الماس. این تحقیق به رهبری پروفسور Tongcang Li ، نقطه عطف مهمی در مطالعه سیستم‌های کوانتومی چرخان و levitodynamics است. این تیم بر چالش‌های تثبیت خلاء و خوانش حالت اسپین غلبه کرد و راه را برای کاربردهای آینده در آزمایش‌های گرانش کوانتومی، اندازه‌گیری‌های دقیق و حسگرهای پیشرفته هموار کرد. این کار ابتکاری پتانسیل نانوالماس‌های معلق در کاوش محل تلاقی مکانیک کوانتومی و گرانش را با پیامدهای گسترده‌تری برای فناوری و فیزیک بنیادی برجسته می‌کند.

توضیحات تکمیلی:

فیزیکدانان دانشگاه Purdue با معلق کردن و چرخاندن نانوالماس های فلورسنت با سرعت بسیار بالا به نقطه عطفی در مکانیک کوانتومی دست یافته اند. این آزمایش منحصربه‌فرد، که به کوچک‌ترین مهمانی دیسکوی جهان تشبیه شده است، به تیم اجازه می‌دهد تا رفتارهای کوانتومی کیوبیت‌های اسپینی درون الماس را بررسی کند. به رهبری پروفسور Tongcang لی، تیم تحقیقاتی با موفقیت یک نانوالماس را در خلاء بالا با استفاده از یک تله یونی پیشرفته معلق کردند و به سرعت چرخشی تا 1.2 میلیارد دور در دقیقه دست یافتند.

این چرخش مشاهده فازِ بِری (Berry phase)  را فعال کرد، یک پدیده کوانتومی که زمانی رخ می دهد که کیوبیت های اسپین در معرض حرکت چرخشی قرار می گیرند. نتایج در Nature Communications منتشر شد، جایی که بازبینان از این کار به عنوان یک پیشرفت مهم در مطالعه levitodynamics و سیستم‌های کوانتومی چرخشی استقبال کردند.

در این آزمایش از نانوالماس‌هایی با مراکز نیتروژن تهی‌جای (NV) استفاده شد که به عنوان کیوبیت اسپینی الکترون عمل می‌کنند. این کیوبیت‌ها وقتی توسط لیزر سبز روشن می‌شوند، نور قرمز ساطع می‌کنند و به محققان این امکان را می‌دهند تا حالت‌های اسپینشان را بخوانند. موفقیت این تیم در تثبیت و کنترل چرخش نانوالماس در خلاء، بر چالش های قبلی در این زمینه، به ویژه در مورد سطوح خلاء و خوانش حالت اسپین، غلبه می کند.

پیامدهای این تحقیق فراتر از فیزیک بنیادی است. نانوالماس‌های معلق می‌توانند در اندازه‌گیری‌های دقیق، آزمایش‌های گرانش کوانتومی، و توسعه شتاب‌سنج‌های پیشرفته و حسگرهای میدان الکتریکی حیاتی باشند. آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی ایالات متحده در حال بررسی کاربردهای این فناوری برای ناوبری و ارتباطات است.

با دسترسی به امکانات پیشرفته در Purdue، از جمله مرکز نانوتکنولوژی Birck، تیم لی به پیشبرد مرزهای مکانیک کوانتومی ادامه می‌دهد و تخصص خود را با ابزارهای شبیه‌سازی پیشرفته و تکنیک‌های ساخت پیشرفته ترکیب می‌کند. این کار راه های جدیدی را برای مطالعه تعامل بین حرکت مکانیکی و اسپین های کوانتومی باز می کند که به طور بالقوه منجر به پیشرفت های انقلابی در فناوری کوانتومی می شود.

منبع

https://phys.org/news/2024-08-physicists-world-smallest-disco-party.html

Yuanbin Jin et al, Quantum control and Berry phase of electron spins in rotating levitated diamonds in high vacuum, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49175-3