Pęseta optyczna Nobla odkrywa nowe wskazówki dotyczące działania wszechświata

Można by pomyśleć, że pęseta optyczna - skupiona wiązka laserowa, która może uwięzić małe cząstki - jest już starą czapką. Pęseta została przecież wynaleziona przez Arthura Ashkina w 1970 roku. W tym roku otrzymał za to Nagrodę Nobla - prawdopodobnie po tym, jak jej główne implikacje zostały zrealizowane w ciągu ostatniego półwiecza.

O dziwo, jest to dalekie od prawdy. Pęseta optyczna ujawnia nowe możliwości, pomagając naukowcom zrozumieć mechanikę kwantową, teorię, która wyjaśnia naturę w kategoriach cząstek subatomowych.

Ta teoria doprowadziła do pewnych dziwnych i sprzecznych z intuicją wniosków. Jednym z nich jest to, że mechanika kwantowa pozwala jednemu obiektowi istnieć w dwóch różnych stanach rzeczywistości w tym samym czasie. Na przykład fizyka kwantowa pozwala ciału znajdować się jednocześnie w dwóch różnych miejscach w przestrzeni - zarówno martwych, jak i żywych, jak w słynnym eksperymencie myślowym kota Schrödingera.

Techniczną nazwą tego zjawiska jest superpozycja. Obserwowano superpozycje małych obiektów, takich jak pojedyncze atomy. Ale wyraźnie nie widzimy superpozycji w naszym codziennym życiu. Na przykład nie widzimy filiżanki kawy w dwóch miejscach jednocześnie.

Aby wyjaśnić tę obserwację, fizycy teoretyczni zasugerowali, że w przypadku dużych obiektów - nawet w przypadku nanocząstek zawierających około miliarda atomów - superpozycje szybko spadają na jedną lub drugą z dwóch możliwości, z powodu awarii standardowej mechaniki kwantowej. W przypadku większych obiektów szybkość zwijania jest szybsza. Dla kota Schrodingera to załamanie - „żywy” lub „martwy” - byłoby praktycznie natychmiastowe, wyjaśniając, dlaczego nigdy nie widzimy superpozycji kota w dwóch stanach jednocześnie.

Do niedawna te „teorie upadku”, które wymagałyby modyfikacji podręcznikowej mechaniki kwantowej, nie mogły zostać przetestowane, ponieważ trudno jest przygotować duży obiekt w superpozycji. Dzieje się tak dlatego, że większe obiekty oddziałują bardziej ze swoim otoczeniem niż atomy lub cząstki subatomowe - co prowadzi do wycieków ciepła, które niszczy stany kwantowe.

Jako fizycy interesują nas teorie upadku, ponieważ chcielibyśmy lepiej zrozumieć fizykę kwantową, a konkretnie dlatego, że istnieją teoretyczne przesłanki, że zapaść może wynikać z efektów grawitacyjnych. Połączenie między fizyką kwantową a grawitacją byłoby ekscytujące, ponieważ cała fizyka opiera się na tych dwóch teoriach, a ich jednolity opis - tak zwana teoria wszystkiego - jest jednym z wielkich celów współczesnej nauki.

Wprowadź optyczną pincetę

Pęsety optyczne wykorzystują fakt, że światło może wywierać nacisk na materię. Chociaż ciśnienie promieniowania nawet intensywnej wiązki lasera 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 pęsetę optyczną była dobrze odizolowana od środowiska, ponieważ nie miała kontaktu z jakimkolwiek nośnikiem materialnym. Podążając za tymi pomysłami, kilka grup zasugerowało sposoby tworzenia i obserwowania superpozycji nanocząstek w dwóch różnych lokalizacjach przestrzennych.

Intrygujący schemat zaproponowany przez grupy Tongcang Li i Lu Ming Duan w 2013 r. Dotyczył kryształu nanodiamentu w pęsecie. Nanocząstka nie siedzi nieruchomo w pęsecie. Raczej oscyluje jak wahadło między dwoma miejscami, z siłą przywracającą pochodzącą od ciśnienia promieniowania wywołanego przez laser. Co więcej, ten diamentowy nanokryształ zawiera zanieczyszczający atom azotu, który można uznać za maleńki magnes, z biegunem północnym (N) i biegunem południowym (S).

Strategia Li-Duan składała się z trzech kroków. Najpierw zaproponowali schłodzenie ruchu nanocząstki do jej kwantowego stanu podstawowego. Jest to najniższy stan energii, jaki może mieć ten rodzaj cząstek. Możemy się spodziewać, że w tym stanie cząstka przestanie się poruszać i wcale się nie oscyluje. Gdyby jednak tak się stało, wiedzielibyśmy, gdzie jest cząstka (w środku pęsety), a także jak szybko się poruszała (wcale). Ale jednoczesna doskonała znajomość zarówno pozycji, jak i prędkości nie jest dozwolona przez słynną zasadę niepewności Heisenberga w fizyce kwantowej. Tak więc, nawet w najniższym stanie energii, cząstka porusza się trochę, wystarczy, aby spełnić prawa mechaniki kwantowej.

Po drugie, schemat Li i Duan wymagał przygotowania magnetycznego atomu azotu w superpozycji jego bieguna północnego skierowanego w górę iw dół.

Wreszcie potrzebne było pole magnetyczne do połączenia atomu azotu z ruchem lewitującego kryształu diamentu. Spowodowałoby to przeniesienie superpozycji magnetycznej atomu na superpozycję położenia nanokryształu. Przeniesienie to jest możliwe dzięki temu, że atom i nanocząstka są splątane przez pole magnetyczne. Występuje w ten sam sposób, w jaki superpozycja zepsutej i niezniszczonej próbki radioaktywnej jest przekształcana w superpozycję kota Schrodingera w stanach martwych i żywych.

Udowodnienie teorii upadku

To, co dało te teoretyczne zęby do pracy, było dwoma ekscytującymi eksperymentami. Już w 2012 r. Grupy Lukasa Novotnego i Romaina Quidanta pokazały, że możliwe jest schłodzenie optycznie lewitowanej nanocząstki do jednej setnej stopnia powyżej zera absolutnego - najniższej możliwej temperatury teoretycznie - poprzez modulację intensywności pęsety optycznej. Efekt był taki sam, jak spowolnienie dziecka na huśtawce, popychając w odpowiednim czasie.

W 2016 r. Ci sami naukowcy byli w stanie ochłodzić się do dziesięciotysięcznej stopnia powyżej zera absolutnego. W tym czasie nasze grupy opublikowały artykuł, w którym ustalono, że temperatura wymagana do osiągnięcia kwantowego stanu podstawowego nanocząstki w kształcie pęsety wynosiła około jednej milionowej stopnia powyżej zera absolutnego. To wymaganie jest trudne, ale w zasięgu trwających eksperymentów.

Drugim ekscytującym wydarzeniem była eksperymentalna lewitacja nanodiamentu przenoszącego defekty azotu w 2014 r. W grupie Nicka Vamivakasa. Korzystając z pola magnetycznego, byli również w stanie osiągnąć fizyczne sprzężenie atomu azotu i ruchu kryształu wymagane w trzecim etapie schematu Li-Duana.

Wyścig jest teraz w stanie dotrzeć do stanu podstawowego, tak że - zgodnie z planem Li-Duan - obiekt w dwóch lokalizacjach można zaobserwować zwijając się w jedną całość. Jeśli superpozycje zostaną zniszczone w tempie przewidywanym przez teorie upadku, mechanika kwantowa, jaką znamy, będzie musiała zostać zrewidowana.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Rozmowie Mishkata Bhattacharyi i Nicka Vamivakasa. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.