Физики из Университета Рочестера (США) и Академии Або (Финляндия) впервые провели эксперимент по левитации наноалмазов в вакууме. При этом авторам удалось добиться контроля над состояниями наночастиц, что, как утверждают исследователи, позволит в теории создать макроскопическое состояние «кота Шредингера» для всего наноалмаза целиком. Иначе говоря, заставить этот объект одновременно находиться в двух состояниях. Работа опубликована в журнале Nature Photonics, ее краткое изложение приводит пресс-релиз университета Рочестера.

Левитирующий наноалмаз. Фотография: J. ADAM FENSTER/UNIVERSITY OF ROCHESTER

Авторы использовали в качестве объекта левитации наночастицу алмаза диаметром 40 нанометров. Внутри нее существует некоторое количество азотных вакансий — свободных электронов, появившихся из-за встраивания в кристаллическую решетку алмаза атомов азота.

Для левитации наночастицы физики использовали лазерное излучение. Оно создавало своеобразную яму в электромагнитном поле, в которой и колебался наноалмаз. При этом авторы управляли лазерным излучением таким образом, что если наноалмаз двигался по направлению из ямы, то «склон», по которому он поднимался, был крутым, а если наоборот, спускался в яму, то пологим. 

Схема полей в установке. Изображение: Levi P. Neukirch et al. / Nature Photonics, 2015

Одновременно с левитацией ученые анализировали состояние азотных вакансий в частицах: в используемых в работе наноалмазах примерно на 20 миллионов атомов углерода было от одного до четырех таких дефектов. Электроны каждого атома азота обладает своим спином — характеристикой, часто ассоциируемой с направлением вращения гипотетической частицы. В обычной ситуации разницы в энергии между спинами направленными вверх и вниз нет, однако все меняется в магнитном поле.

Автору описывают эту разницу так: если электрон со спином вверх в данном магнитном поле испытывает притяжение, то частица со спином, направленным вниз, будет испытывать отталкивание. Из-за того, что спин — квантовая характеристика, электрон может находиться одновременно в обоих этих состояниях, испытывая и отталкивание, и притяжение. А значит, вместе с ним и наноалмаз будет находиться одновременно в двух механических состояниях.

Для изучения спинового состояния физики использовали второй лазер. Он возбуждал азотные вакансии, вызывая фотолюминесценцию. По испускаемому излучению, авторы могли определить энергетические состояния системы, а также, с помощью того же лазера, изменить их.

Как утверждают авторы, достижение идеального контроля требует механически охладить колеблющийся алмаз до его основного состояния, что требует левитации в условиях очень высокого вакуума. Эксперименты показали, что при таких условиях наноалмазы начинают испаряться. С этой проблемой исследователям еще предстоит разобраться. Физики предполагают, что она связана с тем, что частицы не успевают рассеять то тепло, которое передают им лазеры.

Ранее та же исследовательская группа добилась левитации наноалмазов в воздухе. В таких системах наночастицы подвергаются постоянным ударам со стороны молекул воздуха, поэтому невозможно добиться полного механического контроля над ними. В вакууме же наноалмазы превращаются в гармонические осцилляторы — маленькие маятники.

Физики предполагают, что если наночастицы будут находиться в своем основном состоянии, то в их эксперименте удастся увидеть так называемое макроскопическое состояние «кота Шредингера». Кроме того, наноалмазы могут быть использованы для измерения очень слабых сил — даже малейшее воздействие на эти наноразмерные маятники вызывает их смещение. Установка, предложенная авторами, может легко детектировать такие смещения.