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Sep 03, 2023

La trappola magnetica mantiene una microsfera superconduttrice levitata e stabile

It might not look like much, but this tiny levitating particle could be the key

Potrebbe non sembrare molto, ma questa minuscola particella levitante potrebbe essere la chiave per una nuova generazione di sensori quantistici. Utilizzando una trappola magnetica attentamente progettata, fisici in Svezia e Austria sono riusciti a far levitare una sfera di materiale superconduttore del diametro di 48 μm e a mantenerla abbastanza stabile da caratterizzarne il movimento – un risultato che descrivono come un “primo passo fondamentale” verso l’utilizzo della sfera magnetica. posizione per creare stati quantistici. Tali stati quantistici basati sulla posizione potrebbero avere applicazioni in diverse aree, tra cui la metrologia e la ricerca della misteriosa materia oscura che si ritiene costituisca l’85% della massa dell’universo.

Per far levitare la microsfera, il team ha dovuto superare sia la gravità che la forza di attrazione di van der Waals che altrimenti avrebbe mantenuto la microsfera incollata alla superficie. Lo hanno fatto costruendo una trappola magnetica basata su chip di fili di niobio, che diventa un superconduttore a basse temperature. Questa trappola crea il “paesaggio” di campo magnetico necessario per far levitare la microsfera superconduttrice attraverso il meccanismo noto come espulsione del campo nello stato di Meissner, in cui le correnti che si presentano nel superconduttore si oppongono completamente al campo magnetico esterno.

"La chiave del nostro successo è stata raggiungere un'intensità del campo magnetico sufficientemente elevata da avviare la levitazione e mantenerla stabile", spiega il leader del team Wilef Wieczorek del Chalmers Institute of Technology in Svezia. "Per questo, abbiamo dovuto trasportare 0,5 A di corrente alla temperatura millikelvin attraverso l'impianto senza riscaldare l'esperimento."

La levitazione rimase stabile per un periodo di giorni. Durante questo periodo, i ricercatori di Chalmers e dell'Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica (IQOQI) dell'Accademia austriaca delle scienze hanno misurato il movimento del centro di massa della particella utilizzando un magnetometro integrato SQUID (dispositivo di interferenza quantistica superconduttiva DC). Lo hanno fatto sintonizzando continuamente la frequenza del potenziale di intrappolamento magnetico tra 30 e 160 Hz, cosa che ha permesso loro di caratterizzare l'ampiezza del movimento della particella in funzione di questi spostamenti di frequenza.

Wieczorek e colleghi affermano che il loro esperimento potrebbe rendere possibile lo sviluppo di sensori migliori per la forza e l'accelerazione. "Il nostro lavoro è il primo passo fondamentale per creare stati quantistici nella posizione della particella di dimensioni micrometriche", dice Wieczorek a Physics World. “Apre la strada all’accoppiamento del movimento della particella con circuiti quantistici superconduttori, che faciliterebbero la generazione dello stato quantistico del movimento delle particelle”.

Il sensore quantistico riduce lo spazio dei parametri della materia oscura

A lungo termine, Wieczorek afferma che la piattaforma del team potrebbe essere sviluppata in un sensore preciso di forza e accelerazione con applicazioni nella ricerca sulla materia oscura. Gli strumenti utilizzati in tali ricerche devono essere altamente sensibili per avere qualche speranza di rilevare spostamenti dovuti alla materia oscura, che si ritiene interagisca solo debolmente con la materia normale, attraverso la forza di gravità.

Wieczorek e colleghi, che riportano la loro nuova tecnica su Physical Review Applied, affermano che ora proveranno a ridurre l'ampiezza di movimento delle loro microsfere migliorando diversi aspetti tecnici dei loro esperimenti. Ciò potrebbe includere l'installazione di un isolamento criogenico passivo e l'utilizzo di tecniche di raffreddamento basate sul feedback impiegate di routine nel campo dell'optomeccanica delle cavità.