Físicos organizam a menor festa discoteca do mundo com uma bola levitante de nanodiamante fluorescente

Físicos da Purdue estão dando a menor festa de discoteca do mundo. A bola de discoteca em si é um nanodiamante fluorescente, que eles levitaram e giraram em velocidades incrivelmente altas. O diamante fluorescente emite e espalha luzes multicoloridas em diferentes direções enquanto gira. A festa continua enquanto eles estudam os efeitos da rotação rápida nos qubits de spin dentro de seu sistema e conseguem observar a fase Berry.

A equipe, liderada por Tongcang Li, professor de Física e Astronomia e Engenharia Elétrica e de Computação na Universidade Purdue, publicou seus resultados em Comunicações da Natureza. Os revisores da publicação descreveram este trabalho como “indiscutivelmente um momento inovador para o estudo de sistemas quânticos rotativos e levitometria” e “um novo marco para a comunidade de optomecânica levitada”.

“Imagine pequenos diamantes flutuando em um espaço vazio ou vácuo. Dentro desses diamantes, há qubits de spin que os cientistas podem usar para fazer medições precisas e explorar a misteriosa relação entre a mecânica quântica e a gravidade”, explica Li, que também é membro do Purdue Quantum Science and Engineering Institute.

“No passado, experimentos com esses diamantes flutuantes tiveram problemas em evitar sua perda no vácuo e ler os qubits de spin. No entanto, em nosso trabalho, levitamos com sucesso um diamante em alto vácuo usando uma armadilha de íons especial. Pela primeira vez, pudemos observar e controlar o comportamento dos qubits de spin dentro do diamante levitado em alto vácuo.”

A equipe fez os diamantes girarem incrivelmente rápido — até 1,2 bilhão de vezes por minuto! Ao fazer isso, eles foram capazes de observar como a rotação afetava os qubits de spin de uma forma única conhecida como fase Berry.

“Essa descoberta nos ajuda a entender e estudar melhor o fascinante mundo da física quântica”, diz ele.

Os nanodiamantes fluorescentes, com um diâmetro médio de cerca de 750 nm, foram produzidos por meio de síntese de alta pressão e alta temperatura. Esses diamantes foram irradiados com elétrons de alta energia para criar centros de cor com vacância de nitrogênio, que hospedam qubits de spin de elétrons.

Quando iluminados por um laser verde, eles emitiam luz vermelha, que era usada para ler seus estados de spin de elétrons. Um laser infravermelho adicional era direcionado ao nanodiamante levitado para monitorar sua rotação. Como uma bola de discoteca, conforme o nanodiamante girava, a direção da luz infravermelha espalhada mudava, carregando as informações de rotação do nanodiamante.

Os autores deste artigo eram, em sua maioria, da Purdue University e são membros do grupo de pesquisa de Li: Yuanbin Jin (pós-doutorado), Kunhong Shen (estudante de doutorado), Xingyu Gao (estudante de doutorado) e Peng Ju (recém-graduado em doutorado). Li, Jin, Shen e Ju conceberam e projetaram o projeto, e Jin e Shen construíram a configuração.

Jin subsequentemente realizou medições e cálculos e a equipe discutiu coletivamente os resultados. Dois autores não pertencentes à Purdue são Alejandro Grine, membro principal da equipe técnica do Sandia National Laboratories, e Chong Zu, professor assistente da Washington University em St. Louis. A equipe de Li discutiu os resultados do experimento com Grine e Zu, que forneceram sugestões para melhoria do experimento e do manuscrito.

“Para o design da nossa armadilha de íons de superfície integrada”, explica Jin. “Usamos um software comercial, COMSOL Multiphysics, para executar simulações 3D. Calculamos a posição de captura e a transmitância de micro-ondas usando diferentes parâmetros para otimizar o design. Adicionamos eletrodos extras para controlar convenientemente o movimento de um diamante levitado. E para a fabricação, a armadilha de íons de superfície é fabricada em uma pastilha de safira usando fotolitografia. Uma camada de ouro de 300 nm de espessura é depositada na pastilha de safira para criar os eletrodos da armadilha de íons de superfície.”

Então, para que lado os diamantes estão girando e eles podem ter velocidade ou direção manipuladas? Shen diz que sim, eles podem ajustar a direção do giro e a levitação.

“Podemos ajustar a voltagem de acionamento para mudar a direção de giro”, ele explica. “O diamante levitado pode girar em torno do eixo z (que é perpendicular à superfície da armadilha de íons), mostrado no esquema, no sentido horário ou anti-horário, dependendo do nosso sinal de acionamento. Se não aplicarmos o sinal de acionamento, o diamante girará omnidirecionalmente, como uma bola de lã.”

Nanodiamantes levitados com qubits de spin incorporados foram propostos para medições de precisão e criação de grandes superposições quânticas para testar o limite da mecânica quântica e a natureza quântica da gravidade.

“A relatividade geral e a mecânica quântica são dois dos avanços científicos mais importantes do século XX. No entanto, ainda não sabemos como a gravidade pode ser quantizada”, diz Li. “Alcançar a capacidade de estudar a gravidade quântica experimentalmente seria um avanço tremendo. Além disso, diamantes rotativos com qubits de spin incorporados fornecem uma plataforma para estudar o acoplamento entre movimento mecânico e spins quânticos.”

Esta descoberta pode ter um efeito cascata em aplicações industriais. Li diz que partículas levitadas em micro e nanoescala no vácuo podem servir como excelentes acelerômetros e sensores de campo elétrico. Por exemplo, o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA (AFRL) está usando nanopartículas opticamente levitadas para desenvolver soluções para problemas críticos em navegação e comunicação.

“Na Purdue University, temos instalações de última geração para nossa pesquisa em optomecânica levitada”, diz Li. “Temos dois sistemas especializados, construídos em casa, dedicados a essa área de estudo. Além disso, temos acesso às instalações compartilhadas no Birck Nanotechnology Center, o que nos permite fabricar e caracterizar a armadilha de íons de superfície integrada no campus. Também temos a sorte de ter alunos talentosos e pós-doutores capazes de conduzir pesquisas de ponta. Além disso, meu grupo trabalha nessa área há dez anos, e nossa vasta experiência nos permitiu fazer um rápido progresso.”