Левитирующие алмазные наночастицы позволили ученым измерить величину торсионных колебаний и проверить основные принципы квантовой теории

Исслeдoвaтeли из унивeрситeтa Пурду (Purdue University) при пoмoщи лучa лaзeрнoгo свeтa зaстaвили лeвитирoвaть крoшeчныe aлмaзныe нaнoчaстицы внутри вaкуумнoй кaмeры. Эти нaнoчaстицы, рaзмeр кoтoрыx сoстaвляeт пoрядкa 100 нaнoмeтрoв, что сопоставимо с размерами вирусов, представляют собой элемент чрезвычайно чувствительного датчика. И при помощи этого датчика ученым впервые в истории удалось измерить значение так называемых «торсионных колебаний», которые являются отражением некоторых явлений из области квантовой механики.

По сути, данный эксперимент является наноразмерным повторением эксперимента 1798 года, выполненного британским ученым-физиком Генри Кавендишем (Henry Cavendish), нацеленным на измерение значения гравитационной постоянной. В своем эксперименте Кавендиш закрепил и уравновесил две свинцовые сферы на краях коромысла. Это коромысло было подвешено на длинном и тонком проводе, после чего к свинцовым сферам были подведены жестко закрепленные свинцовые сферы еще большего размера. Сила гравитационного притяжения больших сфер, действующая на малые сферы, заставила коромысло повернуться вокруг оси, скручивая провод. И по величине этого скручивания было вычислено значение гравитационных сил и постоянной.

В новом эксперименте наночастицы, имеющие продолговатую форму и поднятые при помощи луча лазерного света, служили аналогами коромысла эксперимента Кавендиша, а собственно луч лазера выступал в роли провода, на котором было подвешено коромысло. «Изменение ориентации нанокристалла алмаза вызывало изменение поляризации луча лазерного света» — рассказывает Тонгкэнг Ли (Tongcang Li), ученый из университета Пурду, — «Малые размеры нанокристалла, низкая температура и глубокий вакуум, при которых проводился данный эксперимент, позволили нам произвести измерения, точность которых во много раз превышает точность подобных измерений, сделанных ранее. И эта точность уже позволяет нам изучать и исследовать явления не только из области обычной физики, но и из области квантовой механики».

«Это является первым разом в истории науки, когда нам удалось наблюдать за торсионными (вращательными) движениями наночастицы, которая представляет собой высокочувствительный датчик» — рассказывает Тонгкэнг Ли, — «С его помощью мы можем измерять вращающий момент от движения единственного электрона или протона».

Возможности, предоставляемые новым нанокристаллическим датчиком, позволят ученым глубже вникнуть в причудливые особенности квантового мира, а с практической точки зрения, такие датчики могут стать основой технологий квантовых вычислений и основой датчиков, производящих сверхвысокоточные измерения более традиционных физических величин. Однако, для реализации всего вышеперечисленного потребуется дополнительное охлаждение нанокристалла алмаза для того, чтобы он перешел в так называемое «стандартное квантовое состояние», состояние, когда его движениям не буду мешать собственные тепловые шумы и прочие помехи.