Οι φυσικοί του Πανεπιστημίου Purdue πέτυχαν μια σημαντική ανακάλυψη δημιουργώντας ένα μοναδικό πειραματικό σύστημα με αιωρούμενα φωσφορίζοντα νανοδιαμάντια.
Αυτά τα μικροσκοπικά διαμάντια δεν αιωρούνται απλά σε κενό αέρος, αλλά περιστρέφονται με απίστευτα υψηλές ταχύτητες, εκπέμποντας και διασκορπίζοντας πολύχρωμα φώτα καθώς περιστρέφονται.
Η σημασία της έρευνας στην κβαντική μηχανική και την αιωρητική δυναμική
Αυτή η έρευνα, υπό την ηγεσία του Tongcang Li, καθηγητή στο Purdue, αποτελεί μια συναρπαστική πρόοδο στη μελέτη των περιστρεφόμενων κβαντικών συστημάτων και της αιωρητικής δυναμικής (levitodynamics), με τα αποτελέσματά τους να δημοσιεύονται στο περιοδικό «Nature Communications». Οι κριτές χαρακτήρισαν την εργασία ως «ίσως μια καθοριστική στιγμή» και «ένα νέο ορόσημο για την κοινότητα της αιωρούμενης οπτομηχανικής».
Εξερεύνηση της σχέσης μεταξύ κβαντομηχανικής και βαρύτητας
Ο Li, ο οποίος είναι επίσης μέλος του Purdue Quantum Science and Engineering Institute, εξηγεί τη σημασία της δουλειάς τους:
«Μέσα σε αυτά τα αιωρούμενα διαμάντια, υπάρχουν σπιν κβαντικά bits (qubits) που μας επιτρέπουν να κάνουμε ακριβείς μετρήσεις και να εξερευνήσουμε τη μυστηριώδη σχέση μεταξύ της κβαντομηχανικής και της βαρύτητας. Οι προηγούμενες προσπάθειες αντιμετώπισαν προκλήσεις στην αποτροπή της απώλειας των διαμαντιών στο κενό και στην ανάγνωση των κβαντικών bits. Ωστόσο, στη δουλειά μας, καταφέραμε να αιωρήσουμε ένα διαμάντι σε υψηλό κενό χρησιμοποιώντας μια ειδική παγίδα ιόντων και, για πρώτη φορά, παρατηρήσαμε και ελέγξαμε τη συμπεριφορά των σπιν κβαντικών bits μέσα στο αιωρούμενο διαμάντι».
Η τεχνολογία πίσω από την επιτυχία των αιωρούμενων νανοδιαμαντιών
Οι νανοδιαμάντια που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα έχουν διάμετρο περίπου 750 νανόμετρα κατά μέσο όρο. Αυτά τα διαμάντια παράχθηκαν μέσω μιας διαδικασίας σύνθεσης σε υψηλή πίεση και υψηλή θερμοκρασία, ακολουθούμενη από ακτινοβολία με ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας για τη δημιουργία κέντρων χρώματος αζώτου-κενών, τα οποία φιλοξενούν τα ηλεκτρόνια σπιν qubits.
Όταν φωτίζονται από πράσινο λέιζερ, τα διαμάντια εκπέμπουν κόκκινο φως, το οποίο χρησιμοποιείται για την ανάγνωση των καταστάσεων σπιν των ηλεκτρονίων τους. Επιπλέον, ένα υπέρυθρο λέιζερ χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της περιστροφής των διαμαντιών. Καθώς τα νανοδιαμάντια περιστρέφονται, διασκορπίζουν το υπέρυθρο φως σε διάφορες κατευθύνσεις, παρόμοια με το πώς μια ντισκόμπαλα διασκορπίζει το φως, παρέχοντας πληροφορίες για την περιστροφή.
Πιθανές βιομηχανικές εφαρμογές και μελλοντική έρευνα
Τα αιωρούμενα νανοδιαμάντια με ενσωματωμένα σπιν qubits είναι υποσχόμενα για ακριβείς μετρήσεις και θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη δημιουργία μεγάλων κβαντικών υπερθέσεων για να δοκιμάσουν τα όρια της κβαντομηχανικής και της βαρύτητας.
Ο Li υπογραμμίζει τη σημασία αυτής της δουλειάς: «Η γενική θεωρία της σχετικότητας και η κβαντομηχανική είναι δύο από τις σημαντικότερες επιστημονικές ανακαλύψεις του 20ού αιώνα. Ωστόσο, ακόμα δεν γνωρίζουμε πώς η βαρύτητα μπορεί να ποσοτικοποιηθεί. Η μελέτη της κβαντικής βαρύτητας μέσω πειραμάτων θα ήταν μια τεράστια ανακάλυψη. Τα περιστρεφόμενα διαμάντια με ενσωματωμένα σπιν qubits παρέχουν μια πλατφόρμα για την εξερεύνηση της σύνδεσης μεταξύ μηχανικής κίνησης και κβαντικών σπιν».
Αυτή η έρευνα αποτελεί μέρος της ευρύτερης εστίασης του Purdue στις κβαντικές τεχνολογίες, ένας βασικός πυλώνας της πρωτοβουλίας Purdue Computes, που υπογραμμίζει τη δέσμευση του πανεπιστημίου να προάγει την τεχνολογική και υπολογιστική έρευνα.