Voisi ajatella, että optinen pinsetti - keskittynyt lasersäde, joka voi vangita pienet hiukkaset - on jo vanha hattu. Loppujen lopuksi Arthur Ashkin keksi pinsetin vuonna 1970. Ja hän sai siitä Nobel-palkinnon tänä vuonna - luultavasti sen jälkeen kun sen tärkeimmät vaikutukset oli toteutettu viimeisen puolen vuosisadan aikana.
Hämmästyttävää, tämä ei ole totta. Optinen pinsetti paljastaa uusia ominaisuuksia auttaen tutkijoita ymmärtämään kvantmekaniikkaa, teoriaa, joka selittää luontoa subatomisten hiukkasten avulla.
Tämä teoria on johtanut outoihin ja vastaintuitiivisiin johtopäätöksiin. Yksi niistä on, että kvanttimekaniikka sallii yhden esineen olemassaolon kahdessa todellisuuden eri tilassa samanaikaisesti. Esimerkiksi kvanttifysiikka sallii ruumiin olla kahdessa eri paikassa avaruudessa samanaikaisesti - tai sekä kuolleina että elossa, kuten Schrödingerin kissan kuuluisassa ajatuskokeessa.
Schrodingerin kissan kaksi tilaa: kuollut (vasemmalla) ja elossa (oikealla). Kvantfysiikka sanoo, että kissa voi olla molemmissa tiloissa samanaikaisesti. (Rhoeo / Shutterstock.com) Tämän ilmiön tekninen nimi on superpositio. Pienille esineille, kuten yksittäisille atomeille, on havaittu superpositioita. Mutta selvästi, emme koskaan näe superpositiota jokapäiväisessä elämässämme. Esimerkiksi, emme näe kupillista kahvia kahdessa paikassa samanaikaisesti.
Tämän havainnon selittämiseksi teoreettiset fyysikot ovat ehdottaneet, että suurille esineille - jopa nanohiukkasille, joissa on noin miljardi atomia - superpositiot romahtavat nopeasti jompaankumpaan tai toiseen kahdesta mahdollisuudesta, johtuen tavanomaisen kvanttimekaniikan hajoamisesta. Suuremmissa kohteissa romahdusnopeus on nopeampi. Schrodingerin kissan kohdalla tämä romahdus - "eläväksi" tai "kuollut" - tapahtuisi käytännössä välittömästi, mikä selittää miksi emme koskaan näe kissan superpositiota olevan kahdessa tilassa samanaikaisesti.
Viime aikoihin asti näitä ”romahtamisteorioita”, jotka edellyttäisivät oppikirjan kvantimekaniikan muokkaamista, ei voitu testata, koska suuren objektin valmistaminen superpositiota varten on vaikeaa. Tämä johtuu siitä, että suuret esineet ovat vuorovaikutuksessa enemmän ympäristönsä kanssa kuin atomien tai subatomisten hiukkasten kanssa - mikä johtaa lämpövuotoihin, jotka tuhoavat kvanttilat.
Fyysikoina olemme kiinnostuneita romahtamisteorioista, koska haluaisimme ymmärtää paremmin kvanttifysiikkaa, ja erityisesti siksi, että on teoreettisia viitteitä siitä, että romahdus voi johtua painovoimavaikutuksista. Yhteys kvanttifysiikan ja painovoiman välillä olisi mielenkiintoista löytää, koska kaikki fysiikka perustuu näihin kahteen teoriaan, ja niiden yhtenäinen kuvaus - niin sanottu kaiken teoria - on yksi modernin tieteen suurimmista tavoitteista.
Anna optinen pinsetti
Optiset pinsetit hyödyntävät sitä tosiasiaa, että valo voi kohdistaa painetta aineeseen. Vaikka säteilypaine jopa voimakkaasta lasersäteestä on melko pieni, Ashkin oli ensimmäinen henkilö, joka osoitti, että se oli riittävän suuri tukemaan nanohiukkasia, vastaten painovoimaa, levitaaden sitä tehokkaasti.
Vuonna 2010 ryhmä tutkijoita huomasi, että tällainen optisen pinsetin hallussa oleva nanohiukkas oli hyvin eristetty ympäristöstään, koska se ei ollut kosketuksissa minkään materiaalisen tuen kanssa. Näiden ideoiden seurauksena useat ryhmät ehdottivat tapoja luoda ja seurata nanohiukkasten superpositsioita kahdessa erillisessä spatiaalisessa paikassa.
Tongcang Li: n ja Lu Ming Duanin ryhmien vuonna 2013 ehdottama kiehtova järjestelmä sisällytti nanodimanttikiteet pinsettiin. Nanohiukkas ei istu paikallaan pinsetin sisällä. Pikemminkin, se värähtelee kuin heiluri kahden sijainnin välillä, palautusvoiman seurauksena laserin aiheuttamasta säteilypaineesta. Lisäksi tämä timantinanokristalli sisältää saastuttavan typpiatomin, jota voidaan pitää pienenä magneettina, pohjoisella (N) ja etelällä (S) olevalla navalla.
Li-Duan-strategia koostui kolmesta vaiheesta. Ensinnäkin, he ehdottivat nanohiukkasten liikkeen jäähdyttämistä sen kvanttiseen perustilaan. Tämä on alhaisin energiatila, joka tämän tyyppisellä hiukkasella voi olla. Saatamme odottaa, että tässä tilassa hiukkanen lakkaa liikkumasta ja ei väräytä ollenkaan. Jos näin tapahtui, me kuitenkin tiedämme missä hiukkanen oli (pinsetin keskellä) ja kuinka nopeasti se liikkui (ei ollenkaan). Mutta kuuluisa Heisenbergin epävarmuusperiaate kvanttifysiikassa ei salli samanaikaista täydellistä tietoa sekä sijainnista että nopeudesta. Siten hiukkasellakin alimmassakin energiatilassaan se liikkuu vähän, vain tarpeeksi tyydyttääkseen kvanttimekaniikan lait.
Toiseksi Li- ja Duan-kaavio vaati magneettisen typpiatomin valmistamista sen pohjoisnavan superpositiossa osoittaen ylös ja alas.
Lopuksi tarvittiin magneettikenttä typpiatomin yhdistämiseksi levitatun timanttikiteen liikkeeseen. Tämä siirtäisi atomin magneettisen superposition nanokiteen sijainnin superpositioon. Tämän siirron mahdollistaa se, että atomi ja nanohiukkaset ovat takertuneet magneettikentään. Se tapahtuu samalla tavalla, että rappeutuneen ja rappeutumattoman radioaktiivisen näytteen superpositio muuttuu Schrodingerin kissan superpositioksi kuolleissa ja elävissä tiloissa.
Romaantumisteorian todistaminen
Pysäytä superpositio yhteen sijaintiin. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) Mikä antoi tämän teoreettisen työn hampaat, olivat kaksi jännittävää kokeellista kehitystä. Jo vuonna 2012 Lukas Novotny- ja Romain Quidant -ryhmät osoittivat, että optisesti levittoidut nanohiukkaset oli mahdollista jäähdyttää sadanneosaan absoluuttisen nollan yläpuolelle asteesta - alin lämpötila teoreettisesti mahdollista - moduloimalla optisen pinsetin voimakkuutta. Vaikutus oli sama kuin hidastamalla lasta keinuun työntämällä oikeaan aikaan.
Vuonna 2016 samat tutkijat pystyivät jäähtymään kymmenentuhannesosan asteeseen absoluuttisen nollan yläpuolella. Tänä aikana ryhmämme julkaisivat tutkimuksen, jonka mukaan pinsettyjen nanohiukkasten kvanttiperustilan saavuttamiseen vaadittava lämpötila oli noin miljoonaosa astetta absoluuttisen nollan yläpuolella. Tämä vaatimus on haastava, mutta jatkuvien kokeilujen ulottuvilla.
Toinen mielenkiintoinen kehitys oli typpivaurioita kantavan nanodiamondin kokeellinen levitaatio vuonna 2014 Nick Vamivakasin ryhmässä. Magneettikenttää käyttämällä he pystyivät saavuttamaan myös typpiatomin ja kideliikkeen fysikaalisen kytkemisen Li-Duan-järjestelmän kolmannessa vaiheessa.
Kilpailu on nyt päämässä perustilaan, jotta - Li-Duan-suunnitelman mukaan - kahdessa paikassa oleva esine voidaan havaita romahtavan yhdeksi kokonaisuudeksi. Jos superpositiot tuhoutuvat romaantusteorioiden ennustamalla nopeudella, kvantimekaniikka on sellaisena kuin me tiedämme sen olevan tarkistettava.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Mishkat Bhattacharya, apulaisprofessori tähtitieteen koulussa, Rochester Institute of Technology ja Nick Vamivakas, apulaisprofessori kvanttioptiikan ja kvanttifysiikan suhteen, Rochesterin yliopisto
