Można by pomyśleć, że pinceta optyczna - skupiona wiązka laserowa, która może wychwytywać małe cząsteczki - jest już starym kapeluszem. W końcu pinceta została wynaleziona przez Arthura Ashkina w 1970 roku. W tym roku otrzymał za nią Nagrodę Nobla - prawdopodobnie po tym, jak jej główne implikacje zostały zrealizowane w ciągu ostatniego półwiecza.
O dziwo, jest to dalekie od prawdy. Pinceta optyczna ujawnia nowe możliwości, pomagając naukowcom zrozumieć mechanikę kwantową - teorię wyjaśniającą naturę w kategoriach cząstek subatomowych.
Teoria ta doprowadziła do dziwnych i sprzecznych z intuicją wniosków. Jednym z nich jest to, że mechanika kwantowa pozwala na istnienie jednego obiektu w dwóch różnych stanach rzeczywistości jednocześnie. Na przykład fizyka kwantowa pozwala ciału przebywać jednocześnie w dwóch różnych lokalizacjach w przestrzeni - albo martwych i żywych, jak w słynnym eksperymencie myślowym kota Schrödingera.
Dwa stany kota Schrodingera: martwy (po lewej) i żywy (po prawej). Fizyka kwantowa mówi, że kot może istnieć jednocześnie w obu stanach. (Rhoeo / Shutterstock.com) Techniczną nazwą tego zjawiska jest superpozycja. Zaobserwowano superpozycje dla drobnych obiektów, takich jak pojedyncze atomy. Ale najwyraźniej nigdy nie widzimy superpozycji w naszym codziennym życiu. Na przykład nie widzimy filiżanki kawy w dwóch lokalizacjach jednocześnie.
Aby wyjaśnić tę obserwację, fizycy teoretyczni zasugerowali, że dla dużych obiektów - nawet dla nanocząstek zawierających około miliarda atomów - superpozycje szybko zapadają się w jedną lub drugą z dwóch możliwości, z powodu awarii standardowej mechaniki kwantowej. W przypadku większych obiektów szybkość zwijania jest większa. Dla kota Schrodingera upadek - „żywy” lub „martwy” - byłby praktycznie natychmiastowy, wyjaśniając, dlaczego nigdy nie widzimy superpozycji kota znajdującego się jednocześnie w dwóch stanach.
Do niedawna te „teorie zawalenia”, które wymagałyby modyfikacji mechaniki kwantowej podręcznika, nie mogły być testowane, ponieważ trudno jest przygotować duży obiekt w superpozycji. Dzieje się tak, ponieważ większe obiekty oddziałują bardziej z otoczeniem niż atomy lub cząsteczki subatomowe - co prowadzi do wycieków ciepła, które niszczą stany kwantowe.
Jako fizycy interesujemy się teoriami zawalenia, ponieważ chcielibyśmy lepiej zrozumieć fizykę kwantową, a konkretnie dlatego, że istnieją teoretyczne przesłanki, że zawalenie może być spowodowane efektami grawitacyjnymi. Powiązanie fizyki kwantowej z grawitacją byłoby ekscytujące do znalezienia, ponieważ cała fizyka opiera się na tych dwóch teoriach, a ich ujednolicony opis - tzw. Teoria wszystkiego - jest jednym z głównych celów współczesnej nauki.
Wejdź do pincety optycznej
Pincety optyczne wykorzystują fakt, że światło może wywierać nacisk na materię. Chociaż ciśnienie promieniowania nawet intensywnej wiązki laserowej jest dość małe, Ashkin był pierwszą osobą, która wykazała, że jest wystarczająco duża, aby utrzymać nanocząstkę, przeciwdziałając grawitacji, skutecznie lewitując ją.
W 2010 r. Grupa naukowców zdała sobie sprawę, że taka nanocząstka trzymana przez pincetę optyczną była dobrze odizolowana od otoczenia, ponieważ nie miała styczności z żadnym materiałowym wsparciem. Zgodnie z tymi pomysłami kilka grup zaproponowało sposoby tworzenia i obserwowania superpozycji nanocząstek w dwóch różnych lokalizacjach przestrzennych.
Intrygujący schemat zaproponowany przez grupy Tongcang Li i Lu Ming Duana w 2013 r. Dotyczył kryształu nanodiamentu w pincecie. Nanocząstka nie zatrzymuje się w pęsecie. Raczej oscyluje jak wahadło między dwoma lokalizacjami, przy czym siła przywracająca pochodzi z ciśnienia promieniowania wywołanego przez laser. Co więcej, ten diamentowy nanokrystal zawiera zanieczyszczający atom azotu, który można uważać za mały magnes, z biegunem północnym (N) i południowym (S).
Strategia Li-Duan składała się z trzech kroków. Po pierwsze, zaproponowali schłodzenie ruchu nanocząstki do jej kwantowego stanu podstawowego. Jest to najniższy stan energetyczny, jaki może mieć ten rodzaj cząstek. Można się spodziewać, że w tym stanie cząsteczka przestaje się poruszać i wcale nie oscyluje. Gdyby tak się stało, wiedzielibyśmy, gdzie była cząstka (w środku pęsety), a także jak szybko się poruszała (wcale). Ale słynna zasada nieoznaczoności Heisenberga z fizyki kwantowej nie pozwala na jednoczesną doskonałą znajomość pozycji i prędkości. Tak więc, nawet w najniższym stanie energetycznym, cząstka porusza się trochę, wystarczy, aby spełnić prawa mechaniki kwantowej.
Po drugie, schemat Li i Duana wymagał przygotowania magnetycznego atomu azotu w superpozycji jego bieguna północnego skierowanego zarówno w górę, jak i w dół.
Wreszcie potrzebne było pole magnetyczne, aby połączyć atom azotu z ruchem lewitowanego kryształu diamentu. Spowodowałoby to przeniesienie magnetycznej superpozycji atomu do superpozycji lokalizacji nanokryształu. Transfer ten jest możliwy dzięki temu, że atom i nanocząstka są zaplątane przez pole magnetyczne. Dzieje się tak, jak superpozycja zepsutej i nie zepsutej próbki radioaktywnej przekształca się w superpozycję kota Schrodingera w stanie martwym i żywym.
Udowadnianie teorii upadku
Zwinięcie superpozycji w jednym miejscu. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) To, co dało tę teoretyczną pracę zębom, to dwa ekscytujące eksperymentalne odkrycia. Już w 2012 r. Grupy Lukasa Novotnego i Romaina Quidanta wykazały, że możliwe jest schłodzenie optycznie lewitowanej nanocząsteczki do setnych stopni powyżej zera absolutnego - teoretycznie najniższej możliwej temperatury - poprzez modulowanie intensywności optycznej pincety. Efekt był taki sam, jak spowolnienie dziecka na huśtawce poprzez pchanie we właściwym czasie.
W 2016 r. Ci sami badacze byli w stanie ochłodzić się do dziesięciu tysięcznych stopnia powyżej absolutnego zera. Mniej więcej w tym czasie nasze grupy opublikowały artykuł, w którym ustalono, że temperatura wymagana do osiągnięcia kwantowego stanu podstawowego nanocząstki z pętelką wynosiła około milionowej części stopnia powyżej zera absolutnego. To wymaganie jest trudne, ale w zasięgu trwających eksperymentów.
Drugim ekscytującym postępem była eksperymentalna lewitacja nanodiamentu niosącego defekt azotu w 2014 r. W grupie Nicka Vamivakasa. Za pomocą pola magnetycznego udało im się także osiągnąć fizyczne sprzężenie atomu azotu i ruch kryształu wymagany w trzecim etapie schematu Li-Duan.
Wyścig jest teraz w stanie podstawowym, dzięki czemu - zgodnie z planem Li-Duana - można zaobserwować, że obiekt w dwóch lokalizacjach zapada się w jedną całość. Jeśli superpozycje są niszczone w tempie przewidywanym przez teorie zapadania się, mechanika kwantowa, którą znamy, będzie musiała zostać zrewidowana.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Mishkat Bhattacharya, profesor nadzwyczajny w School of Astronomy, Rochester Institute of Technology i Nick Vamivakas, profesor nadzwyczajny Quantum Optics & Quantum Physics, University of Rochester
