Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Это открывает дорогу к созданию сверхчувствительных датчиков крутящего момента и совершенно новым экспериментам с материей.
В привычном нам макромире частицы постоянно и хаотично двигаются из-за тепловой энергии. Чем выше температура, тем сильнее колебания. Если верить классической физике, при экстремальном охлаждении материя должна полностью замереть. Но в квантовой механике всё работает иначе.
Даже у абсолютного нуля частицы сохраняют остаточную энергию и остаются дезориентированными. Они переходят в своё основное квантовое состояние. При таком сверхсильном охлаждении энергия падает не плавно, а резкими скачками — квантованными ступенями.
Ранее команда Венского университета уже охлаждала левитирующие наночастицы до базового минимума. Однако укротить именно вращение оказалось куда сложнее. До сих пор исследователям из ETH Zurich удавалось добиться такого охлаждения только в одном измерении.
Охлаждение в двух измерениях
В новой серии экспериментов физики из Венского университета, TU Wien и Ульмского университета пошли дальше.
Они захватили кварцевую «наногантель» электрическим полем лазера. Сначала ротор ожидаемо демонстрировал тепловые колебания — либрацию. Чтобы сбросить температуру почти до абсолютного нуля, учёные применили оптическое охлаждение.
В основе метода лежит когерентное рассеяние.
Частицы удерживались в мощнейшем световом поле интенсивностью 100 МВт/см², рассеивая излучение в оптический резонатор. Каждый вылетающий фотон забирал с собой ровно один квант механической энергии вращения. Так, шаг за шагом, наноротор остывал.
Задействовав сразу две оси, авторы эксперимента впервые смогли выровнять ротор на квантовом уровне. Погрешность направления составила всего 20 микрорадиан.
«Конец ротора смещается на расстояние меньше сотой доли диаметра атома, — объясняет соавтор исследования Штефан Тройер. — Представьте себе стрелку компаса, выровненную с точностью меньше толщины бактерии».
Новое поколение квантовых технологий
Этот успех выходит за рамки чистой науки и даёт старт разработке принципиально новых устройств.
После каждого оборота ротор возвращается в исходное положение. В механике обычного линейного движения таких эффектов просто не существует. Если отключить лазерный луч, наноротор начинает вращаться одновременно во всех направлениях — возникает своего рода суперпозиция ориентаций.
Такое поведение частиц даёт беспрецедентный простор для исследований, которые станут фундаментом квантовых технологий следующего поколения.
«Главный плюс нашего метода двумерного охлаждения — масштабируемость, — подчёркивает Тройер. — Охлаждать крупные объекты технически проще. Но перенося наши наработки на микроскопические структуры, мы планируем зафиксировать ротационную квантовую интерференцию. Это идеальная система, чтобы понять, как законы квантовой физики связаны с явлениями повседневного мира».
Кроме того, замороженный наноротор чутко реагирует на малейшие изменения крутящего момента. Он становится идеальным инструментом для сверхточного квантового зондирования — ещё одного перспективного технологического рынка.
Поделись видео: