«کوچک‌ترین دیسکوی جهان» الماس‌ها را با سرعت ۱.۲ میلیارد دور در دقیقه برای گرانش کوانتومی می‌چرخاند
دانشمندان دانشگاه پردو موفق به تعلیق و چرخاندن الماس‌های نانوساختاری با سرعت فوق‌العاده ۱.۲ میلیارد دور در دقیقه شده‌اند.
این «کوچک‌ترین دیسکوی جهان» انتظار می‌رود نقش مهمی در تحقیق درباره ارتباط پیچیده بین مکانیک کوانتوم و گرانش ایفا کند.
«تصور کنید الماس‌های کوچکی که در فضای خالی یا خلاء شناور هستند. داخل این الماس‌ها، اسپین کیوبیت‌هایی وجود دارند که دانشمندان می‌توانند از آن‌ها برای انجام اندازه‌گیری‌های دقیق و کاوش در رابطه مرموز بین مکانیک کوانتوم و گرانش استفاده کنند»، گفت تانگچانگ لی رهبر تیم تحقیقاتی.
ساخت و به دام انداختن نانوالماس‌ها
تیم ابتدا نانوالماس‌هایی به قطر حدود ۷۵۰ نانومتر را تحت شرایط فشار و دمای بالا ایجاد کرد. سپس موفق به به دام انداختن نانوالماس در خلاء بالا با استفاده از تله یونی سطحی شدند.
این تله شامل یک لایه نازک طلا بود که به شکل امگا بر روی یک ویفر یاقوتی حک شده بود. عبور جریان الکتریکی از این الگوی طلا میدان الکترومغناطیسی ایجاد کرد که یک نانوالماس را در یک محفظه وکیوم بالای سطح معلق کرد.
این امکان را برای محققان فراهم کرد تا اسپین کیوبیت‌های داخل الماس را مشاهده و دستکاری کنند.
«ما می‌توانیم ولتاژ درایور را تنظیم کنیم تا جهت چرخش را تغییر دهیم»، توضیح داد کونهونگ شن، نویسنده مطالعه.
با چرخاندن الماس با سرعت فوق‌العاده، «توانستند مشاهده کنند که چگونه چرخش به اسپین کیوبیت‌ها تأثیر می‌گذارد به روش منحصر به فردی به نام فاز بری» خوانده شد.
«الماس شناور می‌تواند حول محور z (که به سطح تله یونی عمود است) چرخش کند، همانطور که در شمایل نشان داده شده است، یا در جهت ساعتگرد یا پادساعتگرد بسته به سیگنال درایور ما. اگر سیگنال درایور اعمال نشود، الماس به طور چند جهتی مثل یک توپ نخ می‌چرخد»، تأکید شد.
نورپردازی دنیای کوانتوم
دستاورد تیم فراتر از تنها تعلیق و چرخش است. نانوالماس‌های استفاده شده در این آزمایش به طور خاص برای میزبانی اسپین کیوبیت‌های الکترون تهیه شده‌اند.
هنگامی که با لیزر سبز روشن می‌شوند، نور قرمز ساطع می‌کنند که به محققان امکان می‌دهد وضعیت اسپین آن‌ها را بخوانند. یک لیزر مادون قرمز اضافی برای نظارت بر چرخش نانوالماس شناور استفاده شد، به نحوی که شبیه به چرخش یک توپ دیسکو نور را منعکس می‌کند.
«برای اولین بار، ما توانستیم رفتار کیوبیت‌های اسپین داخل الماس شناور را در خلاء بالا مشاهده و کنترل کنیم»، تأکید کرد لی.
با مقایسه این دو اندازه‌گیری، محققان توانستند نتیجه‌گیری کنند که چگونه اسپین الماس‌ها بر اطلاعات کوانتومی ذخیره شده در نقص‌های آن‌ها تأثیر می‌گذارد.
این موفقیت به چالش‌های قبلی در تعلیق الماس‌ها در خلاء بالا و خواندن اسپین کیوبیت‌ها درون آن‌ها پاسخ داده است.
با دستیابی به هر دو، تیم مسیرهای جدیدی برای تحقیق در مورد چگونگی توضیح گرانش در اصطلاحات کوانتومی، یک سؤال اساسی که دانشمندان فیزیکی را در طول زمان گیج کرده است، باز کرده است.
فشار به مرزهای کاوش کوانتومی
علاوه بر تحقیقات بنیادی، این کشف می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر کاربردهای صنعتی داشته باشد. ذرات میکرو و نانو مقیاس معلق در خلاء می‌توانند به عنوان شتاب‌سنج‌ها و حسگرهای میدان الکتریکی بسیار حساس خدمت کنند، با کاربردهای احتمالی در ناوبری و ارتباطات.
در حالی که سرعت چرخش نانوالماس‌ها بسیار چشمگیر است، از رکورد جهانی که توسط همان تیم قبلاً با چرخاندن یک «دمبل» نانومقیاس با ۳۰۰ میلیارد دور در دقیقه ثبت شده است، کمتر است.
با این حال، تمرکز اصلی تحقیقات فعلی در پتانسیل آن برای باز کردن فهم عمیق‌تر از دنیای کوانتومی و تعامل آن با گرانش، به‌جای شکستن رکوردهای سرعت، نهفته است.
«کوچک‌ترین دیسکوی جهان» ممکن است شروع یک انقلاب در فیزیک کوانتوم و کاربردهای عملی آن باشد. به‌عنوان محققان به کاوش در امکانات نانوالماس‌های تعلیق شده و کیوبیت‌های اسپین جاسازی شده آن‌ها ادامه می‌دهند، انتظار می‌رود که توسعه‌های حتی هیجان‌انگیزتر در آینده رخ دهد.
