Первоначально захваченный ротор демонстрировал либрацию, поэтому исследователи прибегли к оптическому охлаждению, чтобы измерить температуру вблизи абсолютного нуля.
В результате совместных усилий исследователей из нескольких институтов Европы был достигнут мировой рекорд: наноротор из диоксида кремния был захвачен в своем квантовом основном состоянии. Команда использовала интенсивный свет для ограничения ориентации наночастицы в пределах квантовых флуктуаций нулевой точки, что стало важной вехой на пути к интерферометрии вращательного движения вещества и измерению квантового крутящего момента.
В нашей повседневной жизни частицы постоянно колеблются и вращаются из-за своей тепловой энергии. С повышением температуры это колебательное и вращательное движение усиливается; с охлаждением вещества оно уменьшается. Согласно классической физике, движение этих частиц можно полностью остановить, охладив их, но квантовая механика говорит об обратном.
Согласно квантовой механике, даже при абсолютном нуле частицы сохраняют некоторую энергию и остаются дезориентированными – в своем квантовом основном состоянии. Когда частицы охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю, их энергия изменяется не непрерывно, а квантованными ступенями, связанными с их квантовым основным состоянием.
Ранее исследователи из Венского университета охлаждали левитирующие наночастицы до их квантового основного состояния. Однако охлаждение вращательного движения оказалось сложной задачей и было достигнуто в одном измерении только исследователями из ETH Zurich.
Охлаждение в двух измерениях
В новой серии экспериментов, проведенных исследователями из Венского университета, Венского технического университета и Ульмского университета, команда захватила ротор в форме наногантели с помощью электрического поля лазера. Первоначально захваченный ротор демонстрировал тепловые угловые колебания или либрацию, поэтому исследователи прибегли к оптическому охлаждению, чтобы измерить температуру вблизи абсолютного нуля.
Для достижения этой цели исследователи использовали когерентное рассеяние, при котором наночастицы захватывались светом интенсивностью 100 МВт/см² и рассеивали его в оптический резонатор. В ходе этого процесса один фотон уносит один квант механической энергии от вращения частицы в оптический резонатор, тем самым охлаждая нанороторную частицу.
Благодаря проведению этого процесса по двум осям, данное исследование впервые позволило достичь квантово-ограниченной ориентации ротора, при которой его направление остается неопределенным с точностью до 20 микрорад.
«Наконечник ротора перемещается на расстояние, меньшее, чем одна сотая диаметра отдельного атома», — объяснил Стефан Тройер, исследователь, участвовавший в проекте. «Это похоже на стрелку компаса, ориентированную с точностью до ширины бактерии».
Квантовые технологии нового поколения
Эта серия экспериментов — не просто достижение для лаборатории; она также открывает двери для нового поколения квантовых технологий. После каждого оборота ротор возвращается в то же положение. Эти квантовые эффекты не имеют аналогов в линейном движении.
Например, когда свет, используемый для захвата частиц, выключается, наноротор может вращаться во всех направлениях одновременно, подобно суперпозиции ориентаций. Таким образом, эти вращающиеся частицы открывают новые возможности для будущих экспериментов, которые могут привести к созданию нового поколения квантовых технологий.
«Прелесть нашего метода двумерного охлаждения заключается в том, что он работает в разных масштабах», — добавил Тройер в пресс-релизе. «Охлаждение проще для больших тел, но, применяя наши методы к меньшим структурам, мы надеемся наблюдать эту вращательную квантовую интерференцию. Это интересная система для исследования взаимодействия между квантовой физикой и явлениями нашей повседневной жизни».
Холодный наноротор также чувствителен к малым крутящим моментам, что делает его идеальным для квантового измерения крутящего момента — еще одной перспективной области квантовых технологий.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Physics.
Sourse: interestingengineering.com
