Nova studija u časopisu Physical Review Letters demonstrira levitaciju mikročestice koristeći nuklearnu magnetnu rezonancu (NMR), što ima potencijalne implikacije od biologije do kvantnog računarstva.
NMR je spektroskopska tehnika koja se obično koristi za analizu različitih materijala na osnovu toga kako atomska jezgra reaguju na spoljašnja magnetna polja. Ovo pruža informacije o unutrašnjoj strukturi, dinamici i okruženju materijala.
Jedan od glavnih izazova sa NMR-om je njegovo korišćenje na malim objektima za kontrolu kvantnih osobina levitirajućih mikročestica.
Istraživači u ovoj studiji želeli su da se pozabave ograničenjima na koja su se ranije susreli tokom proučavanja ove konkretne aplikacije, uključujući zahteve visokih magnetnih polja, temperature ispod Kelvina i velike zapremine.
Govoreći o izboru mikročestice i šta ih je motivisalo da koriste NMR, autor studije, Julien Voisin, doktor nauka na LPENS-u (Laboratoire de phisikue de l’ecole normale superieure) u Francuskoj je rekao: „Bivši student doktorskih studija bio je u stanju da izmeri elektronske okrete, ali je njihov kratak životni vek učinio izazovnim da ih efikasno proučavamo. To nas je navelo da se fokusiramo o nuklearnim spinovima, koje smo već uspešno izmerili na fiksnom dijamantu izvan zamke.“
Atomska jezgra koja sadrže neparan broj protona i/ili neutrona imaju osobinu koja se zove spin.
Kada se stave u spoljašnje magnetno polje, ovi obrti se mogu poravnati sa ili protiv magnetnog polja. Ovaj fenomen, poznat kao Zeemanov efekat, dovodi do podele nivoa energije na dva ili više diskretnih nivoa.
U NMR, slabo oscilirajuće magnetno polje se primenjuje pored prethodnog polja, što dovodi do toga da jezgra apsorbuju energiju i prelaze između ovih energetskih nivoa.
Kada je oscilirajuće polje isključeno, jezgra se vraćaju u prvobitna energetska stanja, emitujući energiju u obliku fotona. Ovi fotoni se detektuju kao elektromagnetni signali i jedinstveni su za svaki atom, služeći kao otisak prsta.
Stoga je NMR popularan metod za proučavanje strukture i svojstava materijala i takođe se može proširiti na proučavanje kvantnih sistema.
U kvantnim sistemima, posebno onima koji koriste nuklearne spinove za kvantnu obradu informacija, NMR se može koristiti za kontrolu i merenje spin stanja čestica, što ga čini vrednim alatom za proučavanje dekoherencije.
Međutim, kao što je pomenuto, korišćenje NMR na malim objektima je uporan izazov.
Da bi rešili problem, istraživači su odabrali mikrodijamante kao svoje čestice. Međutim, ovi dijamanti su imali defekt — centre za prazninu azota (NV).
NV centri se formiraju kada atom azota zameni atom ugljenika u dijamantskoj rešetki, a susedno mesto rešetke ostaje prazno. NV centri imaju jedinstvena kvantna svojstva, kao što su sposobnost interakcije sa magnetnim poljima i skladištenje i manipulacija kvantnim informacijama.
„Dijamanti mogu da sadrže optički aktivne kristalne defekte, koji se često nazivaju centrima boja. Ovi centri boja mogu imati mnogo zanimljivih primena, pri čemu se NV centar široko koristi u fizici zbog svog elektronskog spina i optičkih svojstava“, objasnio je Voisin.
Mikrodijamanti su imali prečnik od 10-20 mikrometara. Jedinstvenost njihove studije je upotreba električne Paul zamke za levitaciju ovih mikrodijamanta.
Električna Paulova zamka se sastoji od dva seta elektroda za stvaranje oscilirajućeg električnog polja. Ovo polje stvara potencijalni bunar, zadržavajući mikrodijamant u svemiru, omogućavajući im da levitiraju.
„Privlačnost izvođenja NMR-a sa levitiranim sistemom je pristup nuklearnim spinovima i iskorištavanje njihovih svojstava, kao što su dugo vremena koherentnosti“, objasnio je Voisin.
Levitacija nudi i druge prednosti, uključujući manje ometanja iz okoline i preciznu manipulaciju mikročesticama bez ikakvog fizičkog kontakta. Ovi faktori značajno povećavaju pouzdanost i preciznost NMR tehnike.
Otkrijte najnovije u nauci, tehnologiji i prostoru sa preko 100.000 pretplatnika koji se oslanjaju na Phis.org za dnevne uvide.
Prijavite se za naš besplatni bilten i dobijajte novosti o otkrićima,
inovacije i istraživanja koja su važna – dnevno ili nedeljno.
Krajnji cilj je bio da se manipuliše i kontroliše nuklearni spin mikrodijamanata, čime se dobija kontrola nad kvantnim stanjem sistema. Istraživači su to postigli tako što su dobili kontrolu nad elektronskim stanjima u NV centrima.
NV centri poseduju elektronska spinska stanja zbog slobodnog elektrona azota. Ovim elektronskim spin stanjima se može manipulisati korišćenjem polarizacije, a ova manipulacija se zatim može preneti na nuklearne spinove.
Istraživači su koristili zeleno lasersko svetlo da polarizuju elektronska stanja u NV centrima. Nakon toga, oni su iskoristili hiperfine interakcije između elektronskih i nuklearnih spinova koristeći metod poznat kao dinamička nuklearna polarizacija ili DNP.
Ovaj metod im je omogućio da prenesu polarizaciju sa elektronskih na nuklearne spinove, omogućavajući manipulaciju nuklearnim spinovima, a samim tim i kvantnim stanjem sistema.
Pristup istraživača im je omogućio da postignu nuklearnu spin koherentnost za levitirajuće mikrodijamante u rasponu od nekoliko stotina mikrosekundi (otprilike 120 mikrosekundi). Ovo je bilo poboljšanje za tri reda veličine u odnosu na prethodne studije.
Dok rezultati ukazuju na korak napred u poređenju sa prethodnim studijama, Voisin je primetio: „Cilj ovog eksperimenta nije bio da se takmiči sa NMR studijama, već da pokaže da se NMR može postići u sistemu koji levitira zajedno sa predvidljivim primenama u spin-mehanici i aplikacije za brzu rotaciju.“
Dok Voisin još uvek ne vidi neposredne primene u biologiji i kvantnom računarstvu sa trenutnom eksperimentalnom postavkom, dve obećavajuće aplikacije uključuju hlađenje makroskopskih čestica i žiroskopiju.
Za hlađenje, strujno hlađenje u optičkim pincetama ne funkcioniše za dijamante u vakuumu jer se grafitiraju i lome. Međutim, spinsko hlađenje pomoću nuklearnih spinova moglo bi omogućiti hlađenje u osnovnom stanju zbog njihovog dužeg vremena koherentnosti u poređenju sa elektronskim spinovima.
U žiroskopiji, manji žiromagnetni odnos nuklearnih spinova čini ih idealnim za merenje pseudo-magnetnih polja generisanih brzorotirajućim levitiranim česticama. Ovaj mali odnos može poboljšati preciznost u žiroskopskim aplikacijama povećanjem osetljivosti na rotaciono kretanje.
