A Nobel-díjas optikai csipesz kinyitja az új nyomokat a világegyetem működéséhez

Gondolhatnánk, hogy az optikai csipesz - egy fókuszált lézersugár, amely kis részecskéket csaphat le - mostanra régi kalap. Végül is, az 1970-es Arthur Ashkin feltalálta a csipeszt. És idén megkapta a Nobel-díjat - feltehetően miután az elmúlt fél évszázadban a főbb következményei megvalósultak.

Elképesztően ez nem igaz. Az optikai csipesz új képességeket tár fel, miközben segít a tudósoknak megérteni a kvantummechanikát, az elméletet, amely a természetet a szubatomi részecskék szempontjából magyarázza.

Ez az elmélet bizonyos furcsa és ellentmondásos következtetésekhez vezetett. Az egyik az, hogy a kvantummechanika lehetővé teszi, hogy egyetlen objektum egyszerre jelenjen meg a valóság két különböző állapotában. Például a kvantumfizika lehetővé teszi, hogy a test egyidejűleg két különböző helyen tartózkodjon a térben - akár halott, akár élve -, mint a Schrödinger macskájának híres gondolkodási kísérletében.

Ennek a jelenségnek a műszaki neve szuperpozíció. Az apró tárgyak, mint például az egyedi atomok szuperpozícióit figyelték meg. De nyilvánvalóan soha nem látunk szuperpozíciót a mindennapi életünkben. Például nem látunk egy csésze kávét két helyen egyidejűleg.

Ennek a megfigyelésnek a magyarázata érdekében az elméleti fizikusok azt sugallják, hogy nagy objektumok esetében - még a körülbelül egymilliárd atomot tartalmazó nanorészecskék esetében is - a normál kvantummechanika bontása miatt a szuperpozíciók gyorsan összeomlanak a két lehetőség egyikére. Nagyobb objektumok esetén az összeomlás sebessége gyorsabb. Schrodinger macskája számára ez az összeomlás - „élve” vagy „halott” - gyakorlatilag pillanatnyi lenne, elmagyarázva, hogy miért nem látjuk, hogy egy macska szuperpozíciója egyszerre két állapotban van.

Egészen a közelmúltig ezek a „összeomlási elméletek”, amelyek a tankönyvi kvantummechanika módosítását igényelték, nem tesztelhetők, mivel nehéz egy nagy tárgyat szuperpozícióban előkészíteni. Ez azért van, mert a nagyobb tárgyak jobban kölcsönhatásba lépnek a környezettel, mint az atomok vagy a szubatomi részecskék - ami hőveszteséghez vezet, amely elpusztítja a kvantumállapotokat.

Fizikusként érdeklődünk az összeomlási elméletek iránt, mert szeretnénk jobban megérteni a kvantumfizikát, és különösen azért, mert elméleti jelek arra utalnak, hogy az összeomlás a gravitációs hatásoknak tudható be. A kvantumfizika és a gravitáció közötti kapcsolat izgalmas lenne, mivel az összes fizika ezeken a két elméleten nyugszik, és egységes leírása - az úgynevezett Minden elmélete - a modern tudomány egyik nagy célja.

Lépjen be az optikai csipeszbe

Az optikai csipeszek kihasználják azt a tényt, hogy a fény nyomást gyakorol az anyagra. Habár az intenzív lézersugár sugárzási nyomása meglehetősen kicsi, Ashkin volt az első, aki megmutatta, hogy elég nagy ahhoz, hogy a nanorészecskéket támogassa, a gravitáció ellen, hatékonyan lebegve.

2010-ben a kutatók egy csoportja rájött, hogy az ilyen optikai csipesz által tartott nanorészecskék jól elkülönültek a környezetétől, mivel nem érintkezett semmilyen anyagi támogatással. Ezeket az ötleteket követve több csoport javasolta a nanorészecskék szuperpozícióinak létrehozását és megfigyelését két különböző térbeli helyen.

A Tongcang Li és Lu Ming Duan csoportok által 2013-ban javasolt intrigáló rendszer egy nanodiamond kristályt tartalmazott egy csipesszel. A nanorészecskék nem ülnek még a csipesszel. Inkább egy inga között oszcillál a két hely között, és a helyreállító erő a lézer által okozott sugárzási nyomásból származik. Továbbá, ez a gyémánt nanokristály egy szennyező nitrogénatomot tartalmaz, amely egy apró mágnesnek tekinthető, északi (N) pólussal és egy déli (S) pólussal.

A Li-Duan stratégia három lépésből állt. Először azt javasolják, hogy a nanorészecskék mozgását a kvantumföldi állapotába lehűljék. Ez a legalacsonyabb energiaállapot, amely ilyen típusú részecske lehet. Arra számíthatunk, hogy ebben az állapotban a részecske megáll, és egyáltalán nem oszcillál. Azonban, ha ez megtörténne, tudnánk, hol (a csipesz közepén) a részecske volt, és milyen gyorsan mozgott (egyáltalán nem). De a pozíció és a sebesség egyidejű tökéletes megismerése nem megengedett a híres Heisenberg-kvantumfizikai bizonytalansági elvnek. Így, még a legalacsonyabb energiaállapotában is, a részecske egy kicsit mozog, elég ahhoz, hogy megfeleljen a kvantummechanika törvényeinek.

Másodszor, a Li és Duan séma szerint a mágneses nitrogénatomot az északi pólusa felfelé és lefelé történő felkészítésével kellett előállítani.

Végül mágneses mezőre volt szükség ahhoz, hogy a nitrogénatomot a levitált gyémántkristály mozgásához kapcsoljuk. Ez átadná az atom mágneses szuperpozícióját a nanokristály helyének szuperpozíciójába. Ezt az átvitelt lehetővé teszi az a tény, hogy az atom és a nanorészecskék a mágneses mezőbe kerülnek. Ugyanígy fordul elő, hogy a bomlott és nem bomlott radioaktív minta szuperpozíciója a Schrodinger macskájának halott és élő állapotban való szuperpozíciójává alakul át.

A Collapse Theory bizonyítása

Az elméleti fogak két izgalmas kísérleti fejlesztése volt. Lukas Novotny és Romain Quidant csoportjai már 2012-ben megmutatták, hogy az optikai csipesz intenzitásának modulálásával lehetőség nyílt egy optikailag levitált nanorészecske századra történő hűtésére az abszolút nulla fölött - az elméletileg lehetséges legalacsonyabb hőmérsékletre. A hatás ugyanolyan volt, mint a gyermek lassításában, a megfelelő időben történő nyomással.

2016-ban ugyanazok a kutatók képesek az abszolút nulla fölötti fokozat tízezredére hűlni. Ezúttal csoportjaink megjelentek egy olyan dokumentumot, amely megállapította, hogy a tweezed nanorészecskék kvantum-alapállapotának eléréséhez szükséges hőmérséklet körülbelül egy milliárd százaléka volt az abszolút nulla felett. Ez a követelmény kihívást jelent, de a folyamatban lévő kísérleteken belül.

A második izgalmas fejlődés a nitrogén-defektet hordozó nanodiamond kísérleti levitációja volt 2014-ben Nick Vamivakas csoportjában. Mágneses mező segítségével képesek voltak elérni a nitrogénatom fizikai kapcsolását és a Li-Duan rendszer harmadik lépésében előírt kristálymozgást.

A verseny most már eléri a talajállapotot úgy, hogy - a Li-Duan terv szerint - egy objektum két helyen megfigyelhető összeomlása egyetlen entitásba. Ha a szuperpozíciókat az összeomlási elméletek által előre jelzett sebességgel elpusztítják, a kvantummechanikát, amint tudjuk, felül kell vizsgálni.

Ezt a cikket eredetileg Mishkat Bhattacharya és Nick Vamivakas The Conversation című kiadványában tették közzé. Olvassa el az eredeti cikket itt.