doi.org/10.1038/s41467-024-49175-3
Credibilidade: 999
#nanodiamante
Um novo marco na optomecânica levitada foi alcançado pelo grupo do Prof. Tongcang Li, que observou a fase Berry dos spins dos elétrons em diamantes de tamanho nanométrico levitados no vácuo.
Físicos da Purdue estão dando a menor festa de discoteca do mundo. A bola de discoteca em si é um nanodiamante fluorescente, que eles levitaram e giraram em velocidades incrivelmente altas. O diamante fluorescente emite e espalha luzes multicoloridas em diferentes direções enquanto gira. A festa continua enquanto eles estudam os efeitos da rotação rápida nos qubits de spin dentro de seu sistema e conseguem observar a fase de Berry.
A equipe, liderada por Tongcang Li, professor de Física e Astronomia e Engenharia Elétrica e de Computação na Universidade Purdue, publicou seus resultados na Nature Communications. Os revisores da publicação descreveram este trabalho como indiscutivelmente um momento inovador para o estudo de sistemas quânticos rotativos e levitometria – e um novo marco para a comunidade de optomecânica levitada. –
Imagine pequenos diamantes flutuando em um espaço vazio ou vácuo. Dentro desses diamantes, há qubits de spin que os cientistas podem usar para fazer medições precisas e explorar a misteriosa relação entre a mecânica quântica e a gravidade, – explica Li, que também é membro do Instituto de Ciência e Engenharia Quântica de Purdue. No passado, experimentos com esses diamantes flutuantes tiveram problemas em evitar sua perda no vácuo e ler os qubits de spin. No entanto, em nosso trabalho, levitamos com sucesso um diamante em alto vácuo usando uma armadilha de íons especial. Pela primeira vez, pudemos observar e controlar o comportamento dos qubits de spin dentro do diamante levitado em alto vácuo. –
Observando a Fase Berry
A equipe fez os diamantes girarem incrivelmente rápido, até 1,2 bilhão de vezes por minuto! Ao fazer isso, eles foram capazes de observar como a rotação afetava os qubits de spin de uma forma única conhecida como fase Berry.
Esta descoberta nos ajuda a entender e estudar melhor o fascinante mundo da física quântica, – ele diz.
Os nanodiamantes fluorescentes, com um diâmetro médio de cerca de 750 nm, foram produzidos por meio de síntese de alta pressão e alta temperatura. Esses diamantes foram irradiados com elétrons de alta energia para criar centros de cores de nitrogênio-vacância, que hospedam qubits de spin de elétrons. Quando iluminados por um laser verde, eles emitiram luz vermelha, que foi usada para ler seus estados de spin de elétrons. Um laser infravermelho adicional foi direcionado ao nanodiamante levitado para monitorar sua rotação. Como uma bola de discoteca, conforme o nanodiamante girava, a direção da luz infravermelha espalhada mudava, carregando as informações de rotação do nanodiamante.
Os autores deste artigo eram principalmente da Purdue University e são membros do grupo de pesquisa de Li: Yuanbin Jin (pós-doutorado), Kunhong Shen (estudante de doutorado), Xingyu Gao (estudante de doutorado) e Peng Ju (recém-graduado em doutorado). Li, Jin, Shen e Ju conceberam e projetaram o projeto e Jin e Shen construíram a configuração. Jin posteriormente realizou medições e cálculos e a equipe discutiu coletivamente os resultados. Dois autores não pertencentes à Purdue são Alejandro Grine, membro principal da equipe técnica do Sandia National Laboratories, e Chong Zu, professor assistente da Washington University em St. Louis. A equipe de Li discutiu os resultados do experimento com Grine e Zu, que forneceram sugestões para melhoria do experimento e do manuscrito.
Para o design da nossa armadilha de íons de superfície integrada, – explica Jin, usamos um software comercial, COMSOL Multiphysics, para executar simulações 3D. Calculamos a posição de captura e a transmitância de micro-ondas usando diferentes parâmetros para otimizar o design. Adicionamos eletrodos extras para controlar convenientemente o movimento de um diamante levitado. E para a fabricação, a armadilha de íons de superfície é fabricada em uma pastilha de safira usando fotolitografia. Uma camada de ouro de 300 nm de espessura é depositada na pastilha de safira para criar os eletrodos da armadilha de íons de superfície. –
Controlando o Spin do Diamante
Então, para que lado os diamantes estão girando e eles podem ter sua velocidade ou direção manipuladas? Shen diz que sim, eles podem ajustar a direção do giro e a levitação.
Podemos ajustar a voltagem de acionamento para mudar a direção do giro,- ele explica. O diamante levitado pode girar em torno do eixo z (que é perpendicular à superfície da armadilha de íons), mostrado no esquema, no sentido horário ou anti-horário, dependendo do nosso sinal de acionamento. Se não aplicarmos o sinal de acionamento, o diamante girará omnidirecionalmente, como uma bola de lã.-
Nanodiamantes levitados com qubits de spin incorporados foram propostos para medições de precisão e para criar grandes superposições quânticas para testar o limite da mecânica quântica e a natureza quântica da gravidade.
A relatividade geral e a mecânica quântica são dois dos avanços científicos mais importantes do século XX. No entanto, ainda não sabemos como a gravidade pode ser quantizada,- diz Li. Alcançar a capacidade de estudar a gravidade quântica experimentalmente seria um avanço tremendo. In addition, rotating diamonds with embedded spin qubits provide a platform to study the coupling between mechanical motion and quantum spins.-
This discovery could have a ripple effect in industrial applications. Li says that levitated micro and nano-scale particles in vacuum can serve as excellent accelerometers and electric field sensors. For example, the US Air Force Research Laboratory (AFRL) are using optically-levitated nanoparticles to develop solutions for critical problems in navigation and communication.
At Purdue University, we have state-of-the-art facilities for our research in levitated optomechanics,- says Li. We have two specialized, home-built systems dedicated to this area of study. Additionally, we have access to the shared facilities at the Birck Nanotechnology Center, which enables us to fabricate and characterize the integrated surface ion trap on campus. We are also fortunate to have talented students and postdocs capable of conducting cutting-edge research. Furthermore, my group has been working in this field for ten years, and our extensive experience has allowed us to make rapid progress.-
Publicado em 22/08/2024 14h17
Artigo original:
Estudo original: