Физики из Университета Рочестера (США) и Академии Або (Финляндия) впервые провели эксперимент по левитации наноалмазов в вакууме. При этом авторам удалось добиться контроля над состояниями наночастиц, что, как утверждают исследователи, позволит в теории создать макроскопическое состояние «кота Шредингера» для всего наноалмаза целиком. Иначе говоря, заставить этот объект одновременно находиться в двух состояниях. Работа опубликована в журнале Nature Photonics, ее краткое изложение приводит пресс-релиз университета Рочестера.
Авторы использовали в качестве объекта левитации наночастицу алмаза диаметром 40 нанометров. Внутри нее существует некоторое количество азотных вакансий — свободных электронов, появившихся из-за встраивания в кристаллическую решетку алмаза атома азота рядом с отсутствующим атомом углерода.
Для левитации наночастицы физики использовали лазерное излучение. Оно создавало своеобразную яму в электромагнитном поле, в которой и колебался наноалмаз. При этом авторы управляли лазерным излучением таким образом, что если наноалмаз двигался по направлению из ямы, то «склон», по которому он поднимался, был крутым, а если наоборот, спускался в яму, то пологим.
Одновременно с левитацией ученые анализировали состояние азотных вакансий в частицах: в используемых в работе наноалмазах примерно на 20 миллионов атомов углерода было от одного до четырех таких дефектов. Электроны каждого атома азота обладают своим спином — характеристикой, часто ассоциируемой с направлением вращения гипотетической частицы. В обычной ситуации разницы в энергии между спинами, направленными вверх и вниз нет, однако все меняется в магнитном поле.
Авторы описывают эту разницу так: если электрон со спином вверх в данном магнитном поле испытывает притяжение, то частица со спином, направленным вниз, будет испытывать отталкивание. Из-за того, что спин — квантовая характеристика, электрон может находиться одновременно в обоих этих состояниях, испытывая и отталкивание, и притяжение. А значит, вместе с ним и наноалмаз будет находиться одновременно в двух механических состояниях.
Для изучения спинового состояния физики использовали второй лазер. Он возбуждал азотные вакансии, вызывая фотолюминесценцию. По испускаемому излучению авторы могли определить энергетические состояния системы, а также, с помощью того же лазера, изменить их.
Как утверждают авторы, достижение идеального контроля требует механически охладить колеблющийся алмаз до его основного состояния, что требует левитации в условиях очень высокого вакуума. Эксперименты показали, что при таких условиях наноалмазы начинают испаряться. С этой проблемой исследователям еще предстоит разобраться. Физики предполагают, что она связана с тем, что частицы не успевают рассеять то тепло, которое передают им лазеры.
Ранее та же исследовательская группа добилась левитации наноалмазов в воздухе. В таких системах наночастицы подвергаются постоянным ударам со стороны молекул воздуха, поэтому невозможно добиться полного механического контроля над ними. В вакууме же наноалмазы превращаются в гармонические осцилляторы — маленькие маятники.
Физики предполагают, что если наночастицы будут находиться в своем основном состоянии, то в их эксперименте удастся увидеть так называемое макроскопическое состояние «кота Шредингера». Кроме того, наноалмазы могут быть использованы для измерения очень слабых сил — даже малейшее воздействие на эти наноразмерные маятники вызывает их смещение. Установка, предложенная авторами, может легко детектировать такие смещения.
Нейрофизиологи из Финляндии разработали объективный метод отслеживания моторного развития ребенка, который потенциально может применяться в клинической оценке. Метод заключается в сборе данных движений и поз младенца во время игры с помощью комбинезона с датчиками движения. Результаты наблюдательного исследования с 59 младенцами опубликованы в Communications Medicine.