Nobelova nagrada Optical Tweezer otkriva nove naznake kako svemir funkcionira

Moglo bi se pomisliti da je optički pinceta - fokusirana laserska zraka koja može uhvatiti male čestice - do sada već stari šešir. Na kraju krajeva, pincetu je izumio Arthur Ashkin 1970. godine. I ove godine dobio je Nobelovu nagradu - vjerojatno nakon što su njezine glavne implikacije ostvarene u posljednjih pola stoljeća.

Zapanjujuće, ovo je daleko od istine. Optički pincet otkriva nove mogućnosti, a znanstvenicima pomaže u razumijevanju kvantne mehanike, teorije koja objašnjava prirodu u smislu subatomskih čestica.

Ta je teorija dovela do nekih čudnih i protuintuitivnih zaključaka. Jedna od njih je da kvantna mehanika dopušta da jedan objekt postoji u dva različita stanja stvarnosti u isto vrijeme. Na primjer, kvantna fizika dopušta tijelu da bude na dva različita mjesta u prostoru istovremeno - ili mrtvo i živo, kao u poznatom eksperimentu Schrödingerove mačke.

Tehnički naziv za ovu pojavu je superpozicija. Uočene su superpozicije za sitne objekte kao što su pojedinačni atomi. Ali jasno, nikada ne vidimo superpoziciju u našim svakodnevnim životima. Na primjer, ne vidimo šalicu kave na dva mjesta u isto vrijeme.

Da bi objasnili ovo promatranje, teoretski fizičari su predložili da se za velike objekte - čak i za nanočestice koje sadrže oko milijardu atoma - superpozicije brzo sruše na jednu ili drugu mogućnost, zbog sloma standardne kvantne mehanike. Za veće objekte brzina kolapsa je brža. Za Schrodingerovu mačku, ovaj kolaps - "živ" ili "mrtav" - bio bi praktično trenutan, objašnjavajući zašto nikada ne vidimo superpoziciju mačke u dva stanja odjednom.

Do nedavno se te "teorije kolapsa", koje bi zahtijevale modifikacije kvantne mehanike udžbenika, nisu mogle testirati, jer je teško pripremiti veliki objekt u superpoziciji. To je zbog toga što veći objekti interagiraju više sa svojom okolinom nego atomi ili subatomske čestice - što dovodi do curenja topline koja uništava kvantna stanja.

Kao fizičari, zainteresirani smo za teorije kolapsa jer bismo željeli bolje razumjeti kvantnu fiziku, a posebno zato što postoje teorijske indikacije da bi kolaps mogao biti posljedica gravitacijskih učinaka. Veza između kvantne fizike i gravitacije bila bi uzbudljiva jer bi sva fizika počivala na te dvije teorije, a njihov ujedinjeni opis - takozvana Teorija svega - jedan je od glavnih ciljeva moderne znanosti.

Unesite optičku pincetu

Optičke pincete iskorištavaju činjenicu da svjetlo može vršiti pritisak na materiju. Iako je tlak zračenja čak i od intenzivnog laserskog snopa prilično mali, Ashkin je bio prva osoba koja je pokazala da je dovoljno velika da podupre nanočesticu, suprotstavljajući se gravitaciji, učinkovito ju levitirajući.

Godine 2010. skupina istraživača shvatila je da je takva nanočestica koju drži optička pinceta dobro izolirana od okoline jer nije bila u kontaktu s materijalnom podrškom. Slijedeći te ideje, nekoliko je skupina predložilo načine stvaranja i promatranja superpozicija nanočestica na dvije različite prostorne lokacije.

Intrigantna shema koju su predložile grupe Tongcang Li i Lu Ming Duan 2013. uključivala je kristal nanodijamanta u pincetu. Nanočestica ne miruje unutar pincete. Umjesto toga, oscilira kao klatno između dva mjesta, s povratnom silom koja dolazi od zračenja zbog lasera. Nadalje, ovaj dijamantni nanokristal sadrži kontaminirajući atom dušika, koji se može smatrati sićušnim magnetom, sa sjevernim (N) polom i južnim (S) polom.

Li-Duan strategija sastojala se od tri koraka. Prvo su predložili hlađenje gibanja nanočestice u svoje kvantno osnovno stanje. Ovo je najniže energetsko stanje koje ova vrsta čestice može imati. Možemo očekivati ​​da se u tom stanju čestica zaustavi i uopće ne oscilira. Međutim, ako bi se to dogodilo, znali bismo gdje je čestica (u sredini pincete), kao i brzinu kretanja (uopće). No istodobno savršeno poznavanje položaja i brzine nije dopušteno poznatim Heisenbergovim načelom kvantne fizike. Tako, čak iu najnižem energetskom stanju, čestica se malo pomiče, dovoljno da zadovolji zakone kvantne mehanike.

Drugo, shema Li i Duan zahtijevala je da se magnetski atom dušika pripremi u superpoziciji njezina sjevernog pola prema gore, kao i prema dolje.

Konačno, bilo je potrebno magnetsko polje kako bi se atom dušika povezao s gibanjem levitirajućeg dijamantnog kristala. To bi prenijelo magnetsko superpoziciju atoma na superpoziciju nanokristala. Taj je prijenos omogućen činjenicom da se atom i nanočestica isprepliću s magnetskim poljem. To se događa na isti način na koji se superpozicija raspadnutog i ne-raspadnutog radioaktivnog uzorka pretvara u superpoziciju Schrodingerove mačke u mrtvim i živim stanjima.

Dokazivanje teorije kolapsa

Ono što je dalo teoretski rad zubima bila su dva uzbudljiva eksperimentalna razvoja. Već 2012. godine grupe Lukas Novotnyja i Romaina Quidanta pokazale su da je moguće da se optički levitirana nanočestica ohladi na stotinku stupnja iznad apsolutne nule - što je najniža teoretski moguća temperatura - moduliranjem intenziteta optičke pincete. Učinak je bio isti kao i usporavanje djeteta na zamahu pritiskanjem u pravo vrijeme.

Isti istraživači 2016. mogli su se ohladiti na deset tisuća stupnjeva iznad apsolutne nule. Otprilike u to vrijeme naše su skupine objavile rad koji je utvrdio da je temperatura potrebna za postizanje kvantnog osnovnog stanja nanočestice s pincetom bila oko milijunti dio stupnja iznad apsolutne nule. Ovaj zahtjev je izazovan, ali u dometu tekućih pokusa.

Drugi uzbudljiv razvoj bio je eksperimentalna levitacija nanodamanta koji nosi dušik-defekt u 2014. godini u grupi Nick Vamivakasa. Koristeći magnetsko polje, također su uspjeli postići fizičko spajanje dušikovog atoma i kristalnog gibanja koje zahtijeva treći korak Li-Duan sheme.

Rasa je sada na putu da dosegne osnovno stanje tako da se - prema Li-Duan planu - može vidjeti objekt na dva mjesta koji se sruši u jednu cjelinu. Ako su superpozicije uništene brzinom koja je predviđena teorijama kolapsa, kvantna mehanika, kao što znamo, morat će se revidirati.

Ovaj članak je izvorno objavljen na razgovoru Mishkat Bhattacharya i Nick Vamivakas. Pročitajte izvorni članak ovdje.