물리학자들이 세계에서 가장 작은 디스코 파티를 열다

 Tongcang Li 교수 그룹이 진공에서 공중에 떠 있는 나노 크기 다이아몬드의 전자 스핀의 베리 단계를 관찰함에 따라 공중에 떠 있는 광기계학에 대한 새로운 이정표가 세워졌습니다.

퍼듀대학교의 물리학자들이 세계에서 가장 작은 디스코 파티를 열고 있습니다. 디스코 볼 자체는 형광성 나노 다이아몬드로, 믿을 수 없을 만큼 빠른 속도로 공중에 떠오르고 회전합니다. 형광 다이아몬드는 회전하면서 다양한 방향으로 다양한 색상의 빛을 방출하고 산란시킵니다. 일행은 계속해서 시스템 내 스핀 큐비트에 대한 빠른 회전 효과를 연구하고 베리 단계를 관찰할 수 있습니다. 퍼듀 대학의 물리학, 천문학, 전기 및 컴퓨터 공학 교수인 Tongcang Li가 이끄는 팀은 Nature Communications에 결과를 발표했습니다. 출판물의 평론가들은 이 연구를 "회전하는 양자 시스템과 공중 부양 역학 연구를 위한 획기적인 순간"이자 "부양된 광역학 커뮤니티를 위한 새로운 이정표"라고 설명했습니다.

"빈 공간이나 진공에 떠 있는 작은 다이아몬드를 상상해 보십시오. 이 다이아몬드 내부에는 과학자들이 정확한 측정을 수행하고 양자 역학과 중력 사이의 신비한 관계를 탐구하는 데 사용할 수 있는 스핀 큐비트가 있습니다."라고 Li는 설명합니다. 퍼듀 양자 과학 및 공학 연구소. "과거에는 부유하는 다이아몬드를 이용한 실험에서는 진공에서의 손실을 방지하고 스핀 큐비트를 판독하는 데 어려움을 겪었습니다. 그러나 우리 연구에서는 특수 이온 트랩을 사용하여 고진공에서 다이아몬드를 공중에 띄우는 데 성공했습니다. 처음으로. , 우리는 고진공에서 공중에 떠 있는 다이아몬드 내부의 스핀 큐비트의 거동을 관찰하고 제어할 수 있었습니다."

팀은 다이아몬드가 분당 최대 12억 번에 달하는 믿을 수 없을 만큼 빠른 속도로 회전하도록 만들었습니다. 이를 통해 그들은 베리 단계(Berry Phase)라고 알려진 독특한 방식으로 회전이 스핀 큐비트에 어떻게 영향을 미치는지 관찰할 수 있었습니다.

"이 획기적인 발전은 우리가 양자 물리학의 매혹적인 세계를 더 잘 이해하고 연구하는 데 도움이 됩니다."라고 그는 말합니다.

평균 직경이 약 750 nm인 형광 나노 다이아몬드는 고압, 고온 합성을 통해 생산되었습니다. 이 다이아몬드는 고에너지 전자로 조사되어 전자 스핀 큐비트를 호스팅하는 질소 공극 색상 센터를 생성했습니다. 녹색 레이저로 조명을 받으면 전자 스핀 상태를 읽는 데 사용되는 빨간색 빛을 방출했습니다. 추가 적외선 레이저가 공중에 떠 있는 나노다이아몬드에 조사되어 회전을 모니터링했습니다. 마치 디스코 공처럼 나노다이아몬드가 회전하면서 산란되는 적외선의 방향이 바뀌면서 나노다이아몬드의 회전 정보가 전달됩니다.

이 논문의 저자는 대부분 퍼듀 대학 출신이며 Li의 연구 그룹인 Yuanbin Jin(포스트닥), Kunhong Shen(박사 과정 학생), Xingyu Gao(박사 과정 학생) 및 Peng Ju(최근 박사 과정 졸업생)의 구성원입니다. Li, Jin, Shen, Ju는 프로젝트를 구상하고 디자인했으며 Jin과 Shen은 설정을 구축했습니다. 이후 진은 측정과 계산을 수행했고 팀은 그 결과를 집단적으로 논의했습니다. 퍼듀 출신이 아닌 두 명의 저자는 Sandia National Laboratories의 기술 직원 수석 멤버인 Alejandro Grine과 세인트 루이스에 있는 Washington University의 조교수인 Chong Zu입니다. Li 팀은 실험 및 원고 개선을 위한 제안을 제공한 Grine 및 Zu와 실험 결과를 논의했습니다.

Jin은 "통합 표면 이온 트랩 설계를 위해 상용 소프트웨어인 COMSOL Multiphysics를 사용하여 3D 시뮬레이션을 수행했습니다. 설계를 최적화하기 위해 다양한 매개변수를 사용하여 트래핑 위치와 마이크로파 투과율을 계산했습니다. 추가로 추가했습니다. 부상된 다이아몬드의 움직임을 편리하게 제어하기 위한 전극. 그리고 제작을 위해 사파이어 웨이퍼 위에 300nm 두께의 금층을 증착하여 표면 이온의 전극을 만듭니다. "

그러면 다이아몬드는 어느 방향으로 회전하며 속도나 방향을 조작할 수 있습니까? Shen은 그렇습니다. 회전 방향과 공중 부양을 조정할 수 있다고 말했습니다.

"우리는 구동 전압을 조정하여 회전 방향을 변경할 수 있습니다"라고 그는 설명합니다. "부유된 다이아몬드는 구동 신호에 따라 회로도에 표시된 것처럼 z축(이온 트랩 표면에 수직인)을 중심으로 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전할 수 있습니다. 구동 신호를 적용하지 않으면 다이아몬드는 실뭉치처럼 전방향으로 회전할 것입니다."

스핀 큐비트가 내장된 공중 부양 나노다이아몬드는 양자 역학의 한계와 중력의 양자 특성을 테스트하기 위해 정밀 측정과 대규모 양자 중첩 생성을 위해 제안되었습니다.

"일반상대성이론과 양자역학은 2020년대 가장 중요한 과학적 혁신 중 두 가지입니다.^일 세기. 그러나 우리는 여전히 중력이 어떻게 양자화될 수 있는지 알지 못한다"고 Li는 말했다. "양자 중력을 실험적으로 연구할 수 있는 능력을 달성하는 것은 엄청난 돌파구가 될 것입니다. 또한 스핀 큐비트가 내장된 회전 다이아몬드는 기계적 운동과 양자 스핀 간의 결합을 연구할 수 있는 플랫폼을 제공합니다."

이 발견은 산업 응용 분야에 파급 효과를 가져올 수 있습니다. Li는 진공에서 공중에 떠 있는 마이크로 및 나노 규모의 입자가 우수한 가속도계 및 전기장 센서 역할을 할 수 있다고 말합니다. 예를 들어, 미 공군 연구소(AFRL)는 항법 및 통신 분야의 중요한 문제에 대한 솔루션을 개발하기 위해 광학 부상 나노입자를 사용하고 있습니다.

"Purdue University에는 공중부양 광역학 연구를 위한 최첨단 시설이 있습니다"라고 Li는 말합니다. "우리는 이 연구 분야 전용으로 자체 제작한 전문 시스템 2개를 보유하고 있습니다. 또한 Birck 나노기술 센터의 공유 시설을 이용할 수 있어 캠퍼스에서 통합 표면 이온 트랩을 제작하고 특성화할 수 있습니다. 또한 최첨단 연구를 수행할 수 있는 재능 있는 학생과 박사후 연구원이 있다는 것은 행운입니다. 게다가 우리 그룹은 이 분야에서 10년 동안 일해 왔으며 우리의 광범위한 경험을 통해 빠른 발전을 이룰 수 있었습니다."

이 연구는 국립과학재단(보조금 번호 PHY-2110591), 해군 연구실(보조금 번호 N00014-18-1-2371), 고든 앤 베티 무어 재단(DOI 10.37807/gbmf12259)의 지원을 받았습니다. 이 프로젝트는 또한 Sandia National Laboratories의 실험실 감독 연구 개발 프로그램에 의해 부분적으로 지원됩니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240814160717.htm