Электроны можно представить как имеющие два различных спиновых состояния: «вверх» или «вниз». Исследователи смогли обнаружить и контролировать электронный спиновой резонанс или его изменение из одного состояния в другое.«Мы показали, как непрерывно изменять спин электрона в наноалмазе, левитирующем в вакууме и в присутствии различных газов», — сказал Тонгкан Ли, доцент кафедры физики, астрономии, электротехники и вычислительной техники в Университете Пердью.
Результаты подробно описаны в исследовательской статье, опубликованной во вторник (19 июля) в журнале Nature Communications. Было показано, что электронный спиновой резонанс отличается в присутствии газов гелия и кислорода, что означает, что этот метод может быть использован в новом типе датчика для обнаружения и измерения газов.
Датчики газообразного кислорода широко используются для контроля концентрации кислорода в выхлопных газах автомобилей и в медицинских инструментах, таких как мониторы для анестезии и респираторы. Датчики на основе наноалмазов представляют собой потенциальное улучшение по сравнению с обычными датчиками.«Хотя для полного понимания этого явления требуются более подробные исследования, наши наблюдения предполагают потенциальное применение для определения газообразного кислорода», — сказал Ли.
Автором статьи является научный сотрудник, получивший докторскую степень, Тай Хоанг; докторанты Джонхун Ан и Джэхун Банг; и Ли.Левитирующие наноалмазы также могут найти применение в квантовой обработке информации, экспериментальных методах исследования фундаментальной физики в квантовой механике и измерении магнитных и гравитационных полей, которые могут быть применены к компьютерной памяти и экспериментам для поиска отклонений от закона тяготения Ньютона.Подъем наноалмазов в вакууме обеспечивает точный контроль и строгие измерения плавающих частиц. Наноалмазы имеют диаметр около 100 нанометров, или примерно размер вируса, и содержат «центры азотных вакансий», критически важные для потенциальных практических применений.
Азотно-вакансионный центр представляет собой дефект атомного масштаба, образованный в решетке алмаза в результате замены атома углерода атомом азота и создания соседней пустоты в кристаллической решетке. Исследователи могут использовать эту особенность для управления вращением электрона.Один тип лазера использовался для «захвата» и левитации наночастицы в вакуумной камере, а другой использовался для отслеживания электронного спина.
Антенна миллиметрового размера излучает микроволны для управления и изменения вращения электронов, а спектрометр обнаруживает эти изменения вращения. Вакуум необходим, чтобы уменьшить помехи от молекул воздуха.Квантовые компьютеры использовали бы явления, описываемые квантовой теорией, которые называются «суперпозицией» и «запутанностью». Компьютеры, основанные на квантовой физике, могут значительно увеличить способность обрабатывать, хранить и передавать информацию.
Одна из долгосрочных целей исследования Purdue — использовать эту технику для проверки известного мысленного эксперимента Шредингера с кошкой, в котором кошка может быть и мертвой, и живой одновременно.«Мы хотим разместить один наноалмаз одновременно в двух разных местах», — сказал Ли.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом.Видео на Youtube доступно по адресу https://youtu.be/0GX2z7OoIDI.