Ученые добились когерентности ядерного спина в левитирующих микрочастицах

Новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, демонстрирует левитацию микрочастицы с использованием ядерного магнитного резонанса (ЯМР), что может иметь потенциальное применение в различных областях — от биологии до квантовых вычислений.

ЯМР — это спектроскопический метод, который обычно используется для анализа различных материалов на основе реакции атомных ядер на внешние магнитные поля. Это даёт информацию о внутренней структуре, динамике и среде материала.

Одной из основных проблем ЯМР является его использование на малых объектах для управления квантовыми свойствами левитирующих микрочастиц.

В данном исследовании учёные хотели устранить ограничения, с которыми ранее сталкивались при изучении этого конкретного приложения, включая необходимость сильных магнитных полей, температур ниже кельвинов и больших объёмов.

Phys.org поговорил с первым автором исследования, Жюльеном Вуазеном, доктором философии. Студентка LPENS (Лаборатории физического развития высшей нормальной школы) во Франции.

Говоря о выборе микрочастицы и о том, что побудило их использовать ЯМР, Вуазен сказал: «Бывший аспирант смог измерить электронные спины, но их короткая продолжительность жизни усложнила их эффективное изучение. Это заставило нас сосредоточиться на ядерных спинах , которые мы уже успешно измерили на фиксированном алмазе вне ловушки».

Как работает ЯМР

Атомные ядра, содержащие нечетное число протонов и/или нейтронов, обладают свойством, называемым спином.

При помещении во внешнее магнитное поле эти спины могут выстраиваться по магнитному полю или против него. Это явление, известное как эффект Зеемана, приводит к расщеплению энергетических уровней на два или более дискретных уровня.

В ЯМР к предыдущему полю добавляется слабое осциллирующее магнитное поле, заставляющее ядра поглощать энергию и переходить между этими энергетическими уровнями .

Когда осциллирующее поле выключается, ядра возвращаются в исходные энергетические состояния, испуская энергию в форме фотонов. Эти фотоны обнаруживаются как электромагнитные сигналы и являются уникальными для каждого атома, выступая в качестве отпечатка пальца.

Поэтому ЯМР является популярным методом изучения структуры и свойств материалов и может быть также распространен на изучение квантовых систем.

В квантовых системах , особенно тех, которые используют ядерные спины для квантовой обработки информации, ЯМР может использоваться для контроля и измерения спиновых состояний частиц, что делает его ценным инструментом для изучения декогеренции.

Однако, как уже упоминалось, использование ЯМР на малых объектах представляет собой постоянную проблему.

Алмазы — это решение

Для решения проблемы исследователи выбрали в качестве частиц микроалмазы. Однако эти алмазы имели дефект — азотно-вакансионные (NV) центры.

NV-центры образуются, когда атом азота заменяет атом углерода в решетке алмаза, а соседний узел решетки остается вакантным. NV-центры обладают уникальными квантовыми свойствами , такими как способность взаимодействовать с магнитными полями, хранить и манипулировать квантовой информацией.

«Алмазы могут содержать оптически активные кристаллические дефекты, часто называемые центрами окраски. Эти центры окраски могут иметь множество интересных применений, при этом центр NV широко используется в физике из-за его электронного спина и оптических свойств», — пояснил Вуазен.

Микроалмазы имели диаметр 10–20 микрометров. Уникальность их исследования заключается в использовании электрической ловушки Пауля для левитации этих микроалмазов.

Электрическая ловушка Пола состоит из двух наборов электродов для создания колеблющегося электрического поля. Это поле создает потенциальную яму, удерживая микроалмаз в пространстве, позволяя ему левитировать.

«Преимущество проведения ЯМР с использованием левитирующей системы заключается в возможности доступа к ядерным спинам и использования их свойств, таких как длительное время когерентности», — пояснил Вуазен.

Левитация предлагает и другие преимущества, включая меньшее возмущение от окружающей среды и точную манипуляцию микрочастицами без какого-либо физического контакта. Эти факторы значительно повышают надежность и точность метода ЯМР.

Использование электронных спинов для управления ядерными спинами

Конечной целью было манипулировать и контролировать ядерные спины микроалмазов, тем самым получая контроль над квантовым состоянием системы. Исследователи достигли этого, получив контроль над электронными состояниями в NV-центрах.

Центры NV обладают электронными спиновыми состояниями из-за свободного электрона азота. Этими электронными спиновыми состояниями можно манипулировать с помощью поляризации, и эта манипуляция затем может быть передана ядерным спинам.

Исследователи использовали зелёный лазерный свет для поляризации электронных состояний в NV-центрах. После этого они использовали сверхтонкие взаимодействия между электронными и ядерными спинами, используя метод, известный как динамическая ядерная поляризация или DNP.

Этот метод позволил им перенести поляризацию с электронных спинов на ядерные, что позволило манипулировать ядерными спинами и, следовательно, квантовым состоянием системы.

Улучшенное время согласованности и потенциальные приложения

Подход исследователей позволил им достичь ядерной спиновой когерентности для левитирующих микроалмазов в диапазоне нескольких сотен микросекунд (примерно 120 микросекунд). Это было улучшение на три порядка по сравнению с предыдущими исследованиями.

Хотя результаты указывают на шаг вперед по сравнению с предыдущими исследованиями, Вуазен отметил: «Целью этого эксперимента было не соревноваться с исследованиями ЯМР, а показать, что ЯМР может быть достигнут в левитирующей системе вместе с прогнозируемыми приложениями в спиновой механике и приложениях быстрого вращения».

Хотя Вуазен пока не видит возможности непосредственного применения текущей экспериментальной установки в биологии и квантовых вычислениях, два перспективных приложения включают охлаждение макроскопических частиц и гироскопию.

Для охлаждения охлаждение с обратной связью по току в оптических пинцетах не работает для алмазов в вакууме, потому что они графитизируются и ломаются. Однако охлаждение спина с использованием ядерных спинов может обеспечить охлаждение основного состояния из-за их более длительного времени когерентности по сравнению с электронными спинами.

В гироскопии меньшее гиромагнитное отношение ядерных спинов делает их идеальными для измерения псевдомагнитных полей, создаваемых быстро вращающимися левитирующими частицами. Это малое отношение может повысить точность в гироскопических приложениях за счёт повышения чувствительности к вращательному движению.

Контакты, администрация и авторы