Levitující nanodiamanty se točí rychlostí 1,2 miliardy otáček za minutu na nejmenší diskotéce na světě

Fyzici z Purdue University levitovali diamanty v nanoměřítku, zasáhli je lasery, aby se rozblikaly, a roztočili je rychlostí neuvěřitelných 1,2 miliardy otáček za minutu. Experimenty nejsou jen o vytvoření „nejmenší diskotéky na světě“, ale mohly by pomoci při studiu kvantové fyziky.

Drobné diamanty s průměrnou šířkou 750 nanometrů se nejprve vyrábějí pod vysokým tlakem a teplotou. Poté jsou ozářeny vysokoenergetickými elektrony, aby se vytvořilo to, co je známé jako defekt dusíkové vakance, který lze použít k uchování kvantové informace.

Aby nanodiamanty levitovaly, vytvořil tým povrchovou iontovou past nanesením tenké vrstvy zlata na safírový plátek a následným leptáním zlata do tvaru „omega“ (Ω). Když je proud čerpán zlatem, vytváří elektromagnetické pole, které může levitovat nanodiamant umístěný nad povrchem ve vakuové komoře.

Kunhong Shen

„Můžeme upravit hnací napětí, abychom změnili směr otáčení,“ řekl Kunhong Shen, autor studie. „Levitující diamant se může otáčet kolem osy z (která je kolmá k povrchu iontové pasti), znázorněné na schématu, buď ve směru nebo proti směru hodinových ručiček, v závislosti na našem hnacím signálu. Pokud neaplikujeme hnací signál, diamant se bude točit všesměrově, jako klubko příze.“

Tím se podařilo roztočit nanodiamanty rychlostí až 1,2 miliardy otáček za minutu. I když je to docela působivé, není to ani zdaleka nejrychleji se točící objekt – stejný tým v současnosti drží tento rekord s „činkou“ v nanoměřítku, která rotovala rychlostí 300 miliard otáček za minutu.

Studie nanodiamantů má ale praktičtější účel, než jen usilovat o světový rekord. Když se rotující diamanty rozsvítí zeleným laserem, vydávají své vlastní červené světlo, což umožňuje vědcům číst stavy rotace elektronů uvnitř jejich defektů. Ve stejnou dobu byl na diamanty ozářen infračervený laser a vzorec, jak rozptylují toto světlo, týmu říká, jak se otáčejí. Porovnání těchto dvou měření umožňuje vědcům odvodit, jak rotace diamantů ovlivňuje kvantové informace obsažené v jejich defektech.

„Představte si drobné diamanty plovoucí v prázdném prostoru nebo vakuu,“ řekl Tongcang Li, hlavní autor studie. „Uvnitř těchto diamantů jsou spinové qubity, které vědci mohou použít k přesným měřením a prozkoumání tajemného vztahu mezi kvantovou mechanikou a gravitací.“ V minulosti měly experimenty s těmito plovoucími diamanty problém zabránit jejich ztrátě ve vakuu a odečítat spinové qubity. Při naší práci jsme však úspěšně levitovali diamant ve vysokém vakuu pomocí speciální iontové pasti. Poprvé jsme mohli pozorovat a ovládat chování spinových qubitů uvnitř levitovaného diamantu ve vysokém vakuu.

Hlavní otázkou, kterou tým doufá, že prozkoumá, je, jak by mohla být gravitace vysvětlena kvantově, což zůstává jedním z nejnaléhavějších problémů ve fyzice.

Výzkum byl publikován v časopise Příroda komunikace.

Zdroj: Purdue University