Nobelova nagrada Optical Tweezer odkriva nove namige, kako deluje vesolje

Morda bi si mislili, da je optični pincet - osredotočen laserski žarek, ki lahko ujame majhne delce - do sedaj star klobuk. Navsezadnje je pinceto izumil Arthur Ashkin leta 1970. Za to je letos prejel Nobelovo nagrado - domnevno po tem, ko so bile njene glavne posledice realizirane v zadnjem pol stoletja.

Neverjetno, to je daleč od resnice. Optična pinceta razkriva nove sposobnosti, hkrati pa pomaga znanstvenikom razumeti kvantno mehaniko, teorijo, ki razlaga naravo v smislu subatomskih delcev.

Ta teorija je privedla do nekaterih čudnih in nasprotujočih si zaključkov. Eden izmed njih je, da kvantna mehanika omogoča, da en sam objekt obstaja v dveh različnih stvareh realnosti hkrati. Na primer, kvantna fizika omogoča telesu, da je na dveh različnih mestih v prostoru hkrati - ali tako mrtvo kot živo, kot v slavnem miselnem poskusu Schrödingerjeve mačke.

Tehnično ime za ta pojav je superpozicija. Za majhne predmete, kot so posamezni atomi, so opazili superpozicije. Jasno pa je, da v vsakdanjem življenju nikoli ne vidimo superpozicije. Na primer, na dveh lokacijah hkrati ne vidimo skodelice kave.

Da bi pojasnili to opažanje, so teoretični fiziki predlagali, da se za velike objekte - tudi za nanodelce, ki vsebujejo približno milijardo atomov - superpozicije hitro zrušijo na eno ali drugo od obeh možnosti, zaradi razpada standardne kvantne mehanike. Pri večjih objektih je hitrost kolapsa hitrejša. Za Schrodingerjevo mačko bi bil ta propad - do »živega« ali »mrtvega« praktično trenuten in bi pojasnil, zakaj nikoli ne vidimo, da je superpozicija mačke v dveh državah naenkrat.

Do nedavnega teh »teorij kolapsa«, ki bi zahtevale modifikacije učbeniške kvantne mehanike, ni bilo mogoče preskusiti, saj je težko pripraviti velik predmet v superpoziciji. To je zato, ker večji objekti med seboj bolj vplivajo z okoljem kot atomi ali subatomski delci - kar vodi do uhajanja toplote, ki uničuje kvantna stanja.

Kot fizike nas zanimajo teorije zlomov, ker bi radi bolje razumeli kvantno fiziko in natančneje, ker obstajajo teoretične indikacije, da bi lahko prišlo do propada zaradi gravitacijskih učinkov. Povezava med kvantno fiziko in gravitacijo bi bila zanimiva, saj vsa fizika temelji na teh dveh teorijah in njihov enoten opis - tako imenovana teorija vsega - je eden od velikih ciljev sodobne znanosti.

Vnesite optično pinceto

Optične pincete izkoriščajo dejstvo, da lahko svetloba pritiska na materijo. Čeprav je sevni tlak iz celo intenzivnega laserskega žarka zelo majhen, je bil Ashkin prva oseba, ki je pokazala, da je dovolj velika, da podpira nanodelce, ki nasprotujejo gravitaciji in jo učinkovito levitirajo.

Leta 2010 je skupina raziskovalcev spoznala, da je takšna nanodelca, ki jo ima optični pinceto, dobro izolirana od okolja, ker ni bila v stiku z materialno podporo. Na podlagi teh idej je več skupin predlagalo načine za ustvarjanje in opazovanje superpozicij nanodelcev na dveh različnih prostorskih lokacijah.

Zanimiva shema, ki so jo leta 2013 predlagale skupine Tongcang Li in Lu Ming Duan, je vključevala kristal nano-kristala v pinceto. Nanodelca ne stoji mirno v pinceti. Namesto tega niha kot nihalo med dvema lokacijama, pri čemer se sila obnavljanja, ki prihaja iz sevanja zaradi laserja. Poleg tega ta diamantni nanokristal vsebuje kontaminirajoč dušikov atom, ki ga lahko razumemo kot majhen magnet, s severnim (N) polom in južnim (S) polom.

Li-Duanova strategija je bila sestavljena iz treh korakov. Najprej so predlagali hlajenje gibanja nanodelca v njegovo kvantno osnovno stanje. To je najnižje energetsko stanje, ki ga lahko ima ta vrsta delcev. Pričakujemo lahko, da se v tem stanju delci ustavijo in se sploh ne nihajo. Če bi se to zgodilo, bi vedeli, kje je bil delec (v središču pincete), in kako hitro se je gibal (sploh ne). Vendar sočasno popolno poznavanje položaja in hitrosti ni dovoljeno s slavnim Heisenbergovim načelom kvantne fizike. Torej, tudi v najnižjem energetskem stanju, se delček premika okrog malo, kar zadostuje zakonom kvantne mehanike.

Drugič, shema Li in Duan je zahtevala, da se magnetni atom dušika pripravi v superpoziciji njegovega severnega pola navzgor in navzdol.

Končno je bilo potrebno magnetno polje za povezavo dušikovega atoma z gibanjem levitiranega diamantnega kristala. To bi preneslo magnetno superpozicijo atoma na lokacijsko superpozicijo nanokristala. Ta prenos omogoča dejstvo, da atom in nanodelce zapletata magnetno polje. To se zgodi na enak način, da se superpozicija razpadlega in ne-razpadlega radioaktivnega vzorca pretvori v superpozicijo Schrodingerjeve mačke v mrtve in žive države.

Dokazovanje teorije kolapsa

Kar je dalo teoretično delo zob, sta bila dva zanimiva eksperimentalna razvoja. Že leta 2012 so skupine Lukas Novotnyja in Romaina Quidanta pokazale, da je možno ohladiti optično levitirano nanodelce na stotino stopnje nad absolutno ničlo - najnižjo temperaturo, ki je teoretično možna - z moduliranjem jakosti optičnega pinceta. Učinek je bil enak kot pri upočasnjevanju otroka na gugalnici s potiskanjem ob pravem času.

Leta 2016 so se isti raziskovalci ohladili na desettisočinko nad absolutno ničlo. V tem času so naše skupine objavile dokument, v katerem so ugotovili, da je temperatura, ki je potrebna za doseganje kvantnega osnovnega stanja nanodelcev iz pincete, približno milijon odstotka višje od absolutne ničle. Ta zahteva je zahtevna, vendar v dosegu tekočih poskusov.

Drugi zanimiv razvoj je bilo eksperimentalno levitiranje nanodroma, ki prenaša dušikove defekte, v letu 2014 v skupini Nick Vamivakasa. S pomočjo magnetnega polja so lahko dosegli tudi fizično spajanje dušikovega atoma in kristalnega gibanja, ki ga zahteva tretji korak Li-Duan sheme.

Tekmovanje je zdaj na dosegu osnovnega stanja, tako da - v skladu z Li-Duanovim načrtom - lahko opazimo, da se objekt na dveh lokacijah zruši v eno samo celoto. Če se superpozicije uničijo s hitrostjo, ki jo predvidevajo teorije kolapsa, bo treba kvantno mehaniko, kot jo poznamo, revidirati.

Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru Mishkat Bhattacharya in Nick Vamivakas. Preberite izvirni članek tukaj.