Fizycy podnoszą szklaną nanosferę, wpychając ją w obszar mechaniki kwantowej

Mechanika kwantowa Zajmuje się zachowaniem wszechświata w bardzo małej skali: atomami i cząstkami subatomowymi, które działają w sposób, którego klasyczna fizyka nie potrafi wyjaśnić. Aby zbadać to napięcie między kwantową a klasyczną, naukowcy próbują sprawić, by coraz większe obiekty zachowywały się w sposób podobny do kwantowego.

W przypadku tego konkretnego badania przedmiot to maleńka szklana nanoskorupa o średnicy 100 nanometrów — około tysiąca razy mniejszej niż grubość ludzkiego włosa. Naszym zdaniem jest to bardzo, bardzo małe, ale z punktu widzenia fizyki kwantowej jest to w rzeczywistości dość duże, 10 milionów atomów.

Zepchnięcie takiej nanosfery w sferę mechaniki kwantowej jest rzeczywiście ogromnym wyczynem, a jednak to właśnie osiągnęli fizycy.

Za pomocą starannie skalibrowanych świateł laserowych nanosfera została zawieszona w najniższym stanie mechaniki kwantowej, stanie o bardzo ograniczonym ruchu, w którym może rozpocząć się zachowanie kwantowe.

„Po raz pierwszy taka metoda została wykorzystana do kontrolowania stanu kwantowego mikroskopijnego obiektu w wolnej przestrzeni” Łukasz Nowotny mówi:, profesor fotoniki z ETH Zurich w Szwajcarii.

Aby osiągnąć stany kwantowe, należy przywołać ruch i energię. Nowotny i współpracownicy zastosowali pojemnik próżniowy schłodzony do -269°C (-452°F) przed użyciem systemu sprzężenia zwrotnego do dalszych regulacji.

Wykorzystując wzorce interferencyjne generowane przez dwie wiązki laserów, naukowcy obliczyli dokładną lokalizację nanosfery w jej komorze – a stamtąd dokładne korekty wymagane do przybliżenia ruchu obiektu do zera, wykorzystując pole elektryczne generowane przez dwie elektrody.

Nie różni się to zbytnio od zwalniania huśtawki na placu zabaw przez pchanie i ciągnięcie jej, aż do momentu, w którym się zatrzyma. Po osiągnięciu najniższego stanu mechaniki kwantowej można rozpocząć dalsze eksperymenty.

„Aby wyraźnie zobaczyć efekty kwantowe, nanosfera musi zostać spowolniona… do jej kinetycznego stanu podstawowego” Inżynier elektryk Felix Tpinguans mówi:, z ETH Zurych.

„Oznacza to, że zamrażamy energię kinetyczną kuli do minimum bliskiego kwantowo-mechanicznemu ruchowi punktu zerowego”.

Chociaż podobne wyniki osiągnięto już wcześniej, wykorzystano to, co jest znane jako rezonator optyczny Aby zrównoważyć rzeczy za pomocą światła.

Zastosowane tutaj podejście lepiej chroni nanosferę przed zakłóceniami i oznacza, że ​​obiekt można zobaczyć w izolacji po wyłączeniu lasera — choć wymagałoby to wielu dodatkowych badań.

Jednym ze sposobów, w jaki naukowcy mają nadzieję, że ich wyniki okażą się przydatne, jest zbadanie, w jaki sposób mechanika kwantowa powoduje, że cząstki elementarne zachowują się jak fale. Ultraczułe formuły, takie jak nanoskali, mogą również pomóc w opracowaniu czujników nowej generacji, które znacznie wykraczają poza to, co mamy dzisiaj.

Zarządzanie tak dużym polem w ekstremalnie zimnym środowisku stanowi duży krok w kierunku skali makroskopowej, w której można badać granicę między klasyką a kwantem.

„Wraz z faktem, że potencjał pułapkowania optycznego jest wysoce kontrolowany, nasza platforma eksperymentalna zapewnia drogę do badania mechaniki kwantowej w skalach makroskopowych” – podsumowują naukowcy. opublikowany artykuł.

Wyszukiwanie zostało opublikowane w Natura.