Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Svævende partikler i et vakuum

Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain

Levitation af både store objekter og af enkeltatomer er blevet en meget udbredt teknik inden for videnskab og teknik. I de sidste år, mange forskere er begyndt at udforske en ny horisont:levitationen af ​​nano- og mikropartikler - stadig mindre end diameteren af ​​et enkelt hår, men sammensat af milliarder af atomer - i vakuum.

Evnen til at manipulere og måle translationen og rotationen af ​​disse objekter med høj præcision har genereret en ny eksperimentel platform med unikke muligheder for grundlæggende og anvendt forskning.

"For blot at nævne nogle få eksempler:svævende objekters høje følsomhed over for eksterne kræfter og accelerationer giver næring til både sensorudvikling og søgninger efter ny fysik, og fuld kontrol af friktion og kræfter, der påvirker bevægelsen af ​​disse partikler, test af stokastiske termodynamiske hypoteser. I øvrigt, friktion og støj kan reduceres til et grundlæggende minimum ved at skabe ultrahøjt vakuum, baner vejen ikke kun for kvanteregistrering og -detektion, men også for at udforske makroskopiske kvantesuperpositioner i et hidtil uudforsket regime af store masser", siger Oriol Romero-Isart fra Institute of Quantum Optics and Quantum Information fra det østrigske videnskabsakademi og Institut for teoretisk fysik ved universitetet i Innsbruck.

Afkølet til kvantegrundtilstand

I 2010 kvanteoptikteknikker blev først foreslået som en måde at afkøle bevægelsen af ​​en leviteret nanopartikel til kvanteregimet ved hjælp af et optisk hulrum. Siden da, disse forslag er udviklet eksperimentelt og suppleret med realiseringen af ​​kontrolmekanismer baseret på optiske, elektriske, og magnetiske kræfter. Nu, både optisk hulrumsbaserede og aktive feedback-kølesystemer har haft held med at afkøle bevægelsen af ​​en dielektrisk leviteret nanopartikel til kvantegrundtilstanden, åbner vejen mod uudforsket kvantefysik.

Fysik, materialevidenskab og sensorer

Levitationen af ​​nanoobjekter i højvakuum giver nye muligheder for forskning og anvendelser ved at give hidtil uopnåelig isolation fra miljøet. "Den nuværende værktøjskasse gør det muligt at svæve og kontrollere enhver form for nanoobjekt, inklusive magneter, metaller, diamanter indeholdende farvecentre, grafen, væskedråber, og endda superflydende helium, ved hjælp af optisk, elektriske, og magnetiske interaktioner", forklarer Carlos Gonzalez-Ballestero, Postdoktor ved Institut for Teoretisk Fysik ved Universitetet i Innsbruck. "Disse interaktioner giver også et middel til at koble de indre frihedsgrader (f.eks. fononer, magnoner, excitons) til de velkontrollerede ydre frihedsgrader (oversættelse, rotation). "

Leviterede systemer er rene testbede til materialevidenskab, hvor stof under ekstreme forhold kan undersøges og endda konstrueres. Desuden, leviterede systemer er en ideel platform til at studere ikke-ligevægtsfysik. Udvidelse af kontrollen til alle frihedsgrader af en leviteret partikel gør det muligt at reducere kilder til støj og dekohærens. Det vil åbne døren til et nyt regime af makroskopisk kvantefysik (f.eks. forberedelse af makroskopiske kvantesuperpositioner af objekter sammensat af milliarder af atomer) og sondering af svage kræfter (f.eks. dem, der forudsiges af mørke stofmodeller) i endnu uudforskede regimer. Endelig, brugen af ​​leviterede systemer til ultrafølsom detektering af kræfter giver også muligheder for kommercielle sanseapplikationer, inklusive gravimeter, tryksensorer, inertikraftsensorer, og elektriske/magnetiske feltsensorer.


Varme artikler