Levitation av både stora föremål och av enstaka atomer har blivit en allmänt använd teknik inom vetenskap och teknik. Under de senaste åren, många forskare har börjat utforska en ny horisont:levitationen av nano- och mikropartiklar- fortfarande mindre än diametern på ett enda hår, men består av miljarder atomer - i vakuum.

Möjligheten att manipulera och mäta översättningen och rotationen av dessa objekt med hög precision har genererat en ny experimentell plattform med unika möjligheter för grundläggande och tillämpad forskning.

"För att bara nämna några exempel:de höga känsligheterna hos svävande föremål för yttre krafter och accelerationer driver både sensorutveckling och sökningar efter ny fysik, och full kontroll över friktion och krafter som påverkar rörelsen av dessa partiklar testning av stokastiska termodynamiska hypoteser. Dessutom, friktion och buller kan reduceras till ett grundläggande minimum genom att skapa ultrahögt vakuum, banar vägen inte bara för kvantavkänning och -detektering, men också för att utforska makroskopiska kvantsuperpositioner i en hittills outforskad regim av stora massor ", säger Oriol Romero-Isart från Institute of Quantum Optics and Quantum Information från den österrikiska vetenskapsakademien och institutionen för teoretisk fysik vid universitetet i Innsbruck.

Kyld till kvantjordtillstånd

År 2010, kvantoptiktekniker föreslogs först som ett sätt att kyla rörelsen av en leviterad nanopartikel till kvantregimen med hjälp av en optisk kavitet. Sedan dess, dessa förslag har utvecklats experimentellt och kompletterats med genomförandet av kontrollmekanismer baserade på optiska, elektrisk, och magnetiska krafter. Vid det här laget, både optiska kavitetsbaserade och aktiva feedbackkylningssystem har lyckats kyla rörelsen av en dielektrisk leviterad nanopartikel till kvantjordtillståndet, öppnar vägen mot outforskad kvantfysik.

Fysik, materialvetenskap och sensorer

Levandet av nanoobjekt i högvakuum erbjuder nya möjligheter för forskning och applikationer genom att ge tidigare ouppnåelig isolering från miljön. "Den nuvarande verktygslådan gör det möjligt att sväva och kontrollera alla typer av nanoobjekt, inklusive magneter, metaller, diamanter som innehåller färgcentra, grafen, flytande droppar, och till och med överflödigt helium, med hjälp av optisk, elektrisk, och magnetiska interaktioner ", förklarar Carlos Gonzalez-Ballestero, Postdoktor vid Institutionen för teoretisk fysik vid universitetet i Innsbruck. "Dessa interaktioner ger också ett sätt att koppla de interna frihetsgraderna (t.ex. fononer, magnoner, excitons) till de välkontrollerade yttre frihetsgraderna (översättning, rotation)."

Leviterade system är rena testbäddar för materialvetenskap, där materia under extrema förhållanden kan sonderas och till och med konstrueras. Vidare, leviterade system är en idealisk plattform för att studera icke-jämviktsfysik. Genom att utvidga kontrollen till alla frihetsgrader för en leviterad partikel kan du minska bullerkällor och dekoherens. Det kommer att öppna dörren till en ny regim av makroskopisk kvantfysik (t.ex. beredning av makroskopiska kvantöverlagringar av objekt sammansatta av miljarder atomer) och undersökning av svaga krafter (t.ex. de som förutspås av modeller av mörk materia) i ännu outforskade regimer. Till sist, användningen av leviterade system för ultrakänslig detektering av krafter ger möjligheter även för kommersiella avkänningstillämpningar, inklusive gravimetrar, trycksensorer, tröghetskraftsensorer, och elektriska/magnetiska fältsensorer.