Levitatie van zowel grote objecten als van enkele atomen is een veelgebruikte techniek geworden in wetenschap en techniek. In de laatste jaren, veel onderzoekers zijn begonnen met het verkennen van een nieuwe horizon:de levitatie van nano- en microdeeltjes - nog steeds kleiner dan de diameter van een enkele haar, maar samengesteld uit miljarden atomen - in vacuüm.

Het vermogen om de translatie en rotatie van deze objecten met hoge precisie te manipuleren en te meten, heeft een nieuw experimenteel platform gegenereerd met unieke mogelijkheden voor fundamenteel en toegepast onderzoek.

"Om maar een paar voorbeelden te noemen:de hoge gevoeligheid van zwevende objecten voor externe krachten en versnellingen voedt zowel de ontwikkeling van sensoren als het zoeken naar nieuwe fysica, en de volledige controle van wrijving en krachten die de beweging van deze deeltjes beïnvloeden, het testen van stochastische thermodynamische hypothesen. Bovendien, wrijving en geluid kunnen tot een fundamenteel minimum worden beperkt door ultrahoog vacuüm te creëren, niet alleen de weg vrijmaakt voor kwantumdetectie en -detectie, maar ook voor het onderzoeken van macroscopische kwantumsuperposities in een tot nu toe onontgonnen regime van grote massa's", zegt Oriol Romero-Isart van het Instituut voor Kwantumoptica en Kwantuminformatie van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en de afdeling Theoretische Fysica van de Universiteit van Innsbruck.

Afgekoeld tot de kwantumgrondtoestand

In 2010, kwantumoptica-technieken werden voor het eerst voorgesteld als een manier om de beweging van een zwevend nanodeeltje naar het kwantumregime te koelen met behulp van een optische holte. Vanaf dat moment, deze voorstellen zijn experimenteel ontwikkeld en aangevuld met de realisatie van controlemechanismen op basis van optische, elektrisch, en magnetische krachten. Tegen deze tijd, zowel op optische holtes gebaseerde als actieve feedback-koelschema's zijn erin geslaagd de beweging van een diëlektrisch zwevend nanodeeltje in de kwantumgrondtoestand te koelen, de weg openen naar onontgonnen kwantumfysica.

Natuurkunde, materiaalkunde en sensoren

De levitatie van nano-objecten in hoog vacuüm biedt nieuwe mogelijkheden voor onderzoek en toepassingen door een voorheen onbereikbare isolatie van de omgeving. "De huidige toolbox maakt het mogelijk om elk soort nanoobject te laten zweven en besturen, inclusief magneten, metalen, diamanten met kleurcentra, grafeen, vloeibare druppeltjes, en zelfs supervloeibaar helium, door middel van optische, elektrisch, en magnetische interacties", legt Carlos Gonzalez-Ballestero uit, Postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Theoretische Fysica van de Universiteit van Innsbruck. "Deze interacties bieden ook een middel om de interne vrijheidsgraden (bijvoorbeeld fononen, magnonen, excitonen) naar de goed gecontroleerde externe vrijheidsgraden (vertaling, rotatie)."

Zwevende systemen zijn schone testbedden voor materiaalwetenschap, waar materie in extreme omstandigheden kan worden onderzocht en zelfs geconstrueerd. Verder, zwevende systemen zijn een ideaal platform om niet-evenwichtsfysica te bestuderen. Door de controle uit te breiden tot alle vrijheidsgraden van een zwevend deeltje, kunnen bronnen van ruis en decoherentie worden verminderd. Het zal de deur openen naar een nieuw regime van macroscopische kwantumfysica (bijvoorbeeld de voorbereiding van macroscopische kwantumsuperposities van objecten die zijn samengesteld uit miljarden atomen) en het onderzoeken van zwakke krachten (bijvoorbeeld die voorspeld door donkere-materiemodellen) in nog onontgonnen regimes. Eindelijk, het gebruik van zwevende systemen voor ultragevoelige detectie van krachten biedt ook kansen voor commerciële detectietoepassingen, inclusief gravimeters, druksensoren, traagheidskrachtsensoren, en elektrische/magnetische veldsensoren.