Левитирующая оптомеханика

Оптомеханика левитирующих объектов – это одно из новых направлений научных исследований, которое существует на стыке квантовой механики и лазерной физики. Оно привлекает внимание учёных уникальными возможностями изучения мезоскопических систем для создания нового вида измерительных устройств. Основой таких систем является пространственная локализация микро или нанообъектов за счёт воздействия на них дипольного момента с оптическим излучением (оптический пинцет или оптическая ловушка), либо же за счет взаимодействия заряженной частицы с переменным радиочастотным полем (радиочастотные ловушки). Главная особенность «подвешенных» таким образом левитирующих частиц состоит в их слабом взаимодействии со средой, что даёт возможность использовать их в качестве объектов как фундаментальных, так и практических исследований.

В июне прошлого года на ресурсе «Nature Communications» была опубликована статья ряда китайских исследователей, посвящённая изучению свойств вращающихся левитирующих алмазных наночастиц в высоком вакууме. Связь между спинами и вращением этих наночастиц может быть использована для изучения квантовой геометрической фазы, создания сверхточных микрооптических гироскопов и вращающихся атомных интерферометров. Главной проблемой при практической реализации данной схемы была трудность согласования уровня вакуума с показаниями спинового состояния. Для этой цели была изготовлена интегрированная поверхностная ионная ловушка с несколькими стабилизирующими электродами, что облегчило левитацию нанокристалла и впервые позволило произвести оптически детектируемые магнитно-резонансные измерения свойств алмазной наночастицы. При этом учёным удалось заставить наноалмаз вращаться с частотой до 20 МГц (1,2 × 10⁹ об/мин), одновременно демонстрируя квантовое управление спинами во вращающемся наноалмазе. Особо важным достижением стало то, что внутренняя температура левитирующей наночастицы сохранялась на уровне 350К при давлении ниже 10⁻⁵ Торр, в то время как во всех предыдущих экспериментах оптическая левитация наноалмазов была ограничена давлением выше 1 торр из-за нагрева, вызванного лазером, из-за чего также вращение наночастицы происходило примерно на три порядка медленней.  Новые результаты практических исследований, полученные в сфере оптической левитации, значительно расширяют возможности по изучению многих квантовых явлений.