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2018
02-09

研究人员光学悬浮发光的纳米级钻石


在罗切斯特大学的研究人员首次测量从悬浮在自由空间的纳米金刚石光致发光发出的光。在本周发表在光学通讯上的一篇论文中,他们描述了他们如何使用激光在空间中捕获纳米金刚石,并且使用另一种激光使得钻石在给定的频率下发光。

由光学助理教授Nick Vamivakas领导的实验表明,通过使用已知的技术,可以在自由空间中将钻石小至100纳米(约为人发直径的千分之一)作为激光诱捕。 “Vamivakas说:”现在我们已经证明,我们可以悬浮纳米金刚石,并测量钻石内部缺陷的光致发光,我们可以开始考虑可以在量子信息和计算领域应用的系统。他说这样一个系统的例子是光机械谐振器。 Vamivakas解释说,光机械谐振器是一种结构,其中系统的振动,在这种情况下被困的纳米金刚石可以通过光控制。 “我们还没有探索这一点,但理论上我们可以在钻石的振动中编码信息,并使用它们发出的光来提取信息。”

这些纳米光机械谐振器长期以来可能感兴趣的途径包括创造所谓的薛定谔猫态(宏观或大尺度,同时处于两个量子态的系统)。这些谐振器也可以用作非常敏感的力传感器 - 例如,测量微芯片中使用的配置中的金属板或反射镜位置的微小位移,并更好地理解纳米级的摩擦。

Vamivakas解释说:“像这些悬浮粒子可能比其他光机械振荡器有优势,因为它们不附着在任何大型结构上。 “这意味着他们更容易保持冷静,预计这些系统工作所必需的脆弱的量子一致性将持续足够长的时间来进行实验。”

Vamivakas和他的团队正在计划的未来实验以前在罗切斯特和现在在瑞士苏黎世的ETH的论文的合着者Lukas Novotny和西班牙ICFO的合着者Romain Quidant的作品。 Novotny,Quidant和他们的团队先前表示,通过调整俘获激光器的属性,可以将粒子推向量子基态。通过将晶体谐振器的激光冷却与内部缺陷的自旋联系起来,应该有可能通过机械谐振器的振动来监测内部缺陷的自旋构型的变化 - 这些变化称为玻尔自旋量子跳跃。 Vamivakas解释说,这样的实验将扩大我们对经典量子边界的了解,并解决基本的物理问题。

纳米金刚石发出的光线是由于光致发光造成的。纳米金刚石内部的缺陷吸收第二激光的光子 - 而不是捕获钻石的光子 - 激发系统并改变自旋。系统然后放松,并发射其他光子。这个过程也被称为光泵。

由于氮空位导致缺陷,当金刚石中的一个或多个碳原子被氮原子取代时发生。化学结构是这样的,在氮的位置上可以用激光在不同的可用能级之间激发电子。先前的实验已经表明,钻石中的这些氮空位中心是良好的,单光子的稳定来源,这就是为什么研究人员热衷于悬浮这些粒子。

使用激光捕捉离子,原子和最近更大的粒子是一个成熟的物理学领域。然而,纳米金刚石从未悬浮。为了将这些100纳米的钻石定位在正确的位置,含有溶解的纳米金刚石的气溶胶喷射到直径约10英寸的腔室中,激光器的焦点位于该腔室中。钻石被吸引到这个焦点,当他们漂移到这 他们被激光所困住。研究生Levi Neukirch解释说,有时候“需要几个喷射,几分钟内我们就会有一个被困的纳米金刚石;其他时间,我可以在这里半个小时之前,任何钻石被抓住。一旦钻石陷入陷阱,我们可以持有它几个小时。“

罗切斯特的研究人员与卢卡斯·诺沃特尼(前罗切斯特大学,现在在瑞士苏黎世联邦理工学院)和Jan Gieseler和Romain Quidant合作,在西班牙巴塞罗那的ICFO。

研究人员感谢来自罗切斯特大学,欧共体第七框架计划,Fundacióprivada CELLEX和美国能源部的支持。