Магнитная ловушка удерживает сверхпроводящую микросферу в левитации и стабильной

 Это может показаться не таким уж большим, но эта крошечная левитирующая частица может стать ключом к новому поколению квантовых датчиков. С помощью тщательно разработанной магнитной ловушки физикам из Швеции и Австрии удалось поднять в воздух сферу из сверхпроводящего материала диаметром 48 мкм и сохранить ее достаточно стабильной, чтобы охарактеризовать ее движение. положение сферы для создания квантовых состояний. Такие квантовые состояния, основанные на положении, могут найти применение в нескольких областях, включая метрологию и поиск таинственной темной материи, которая, как считается, составляет 85% массы Вселенной.

Крошечный левитатор: на этой фотографии эксперимента стрелка отмечает положение частицы диаметром 48 мкм. (Фото: physicsworld.com)

Чтобы левитировать свою микросферу, команде нужно было преодолеть как гравитацию, так и силу притяжения Ван-дер-Ваальса, которая в противном случае удерживала бы микросферу приклеенной к поверхности. Они сделали это, сконструировав магнитную ловушку на основе чипа из проводов из ниобия, который становится сверхпроводником при низких температурах. Эта ловушка создает «пейзаж» магнитного поля, необходимый для левитации сверхпроводящей микросферы посредством механизма, известного как выброс поля в состоянии Мейснера, при котором токи, возникающие в сверхпроводнике, полностью противодействуют внешнему магнитному полю.

Стабильная левитация

«Ключом к нашему успеху было достижение силы магнитного поля, достаточно высокой, чтобы инициировать левитацию и поддерживать ее стабильность», — объясняет руководитель группы Вилеф Вичорек из Технологического института Чалмерса в Швеции. «Для этого нам нужно было пропустить через установку ток силой 0,5 А при температуре милликельвина, не нагревая эксперимент».

Левитация оставалась стабильной в течение нескольких дней. За это время исследователи из Чалмерса и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук измерили движение центра масс частицы с помощью магнитометра со встроенным сверхпроводящим квантовым интерференционным устройством постоянного тока (СКВИД). Они сделали это, непрерывно настраивая частоту потенциала магнитной ловушки между 30 и 160 Гц, что позволило им охарактеризовать амплитуду движения частицы как функцию этих частотных сдвигов.

Более чувствительные датчики силы и ускорения

Вичорек и его коллеги говорят, что их эксперимент позволит разработать более совершенные датчики силы и ускорения. «Наша работа — важный первый шаг к созданию квантовых состояний в положении частицы микрометрового размера», — говорит Вичорек Physics World . «Это прокладывает путь для связи движения частицы со сверхпроводящими квантовыми цепями, что облегчило бы генерацию квантового состояния движения частиц».

Вечорек говорит, что в долгосрочной перспективе платформа команды может быть преобразована в точный датчик силы и ускорения с приложениями для поиска темной материи. Инструменты, используемые в таких поисках, должны быть очень чувствительными, чтобы иметь надежду обнаружить сдвиги из-за темной материи, которая, как считается, слабо взаимодействует с нормальной материей через силу гравитации.

Wieczorek и его коллеги, которые сообщают о своей новой технике в Physical Review Applied , говорят, что теперь они попытаются уменьшить амплитуду движения своих микросфер, улучшив некоторые технические аспекты своих экспериментов. Это может включать в себя установку пассивной криогенной изоляции и использование методов охлаждения на основе обратной связи, обычно используемых в области оптомеханики резонатора.

Источник