Võib arvata, et optiline pintsett - fokuseeritud laserkiir, mis suudab väikesi osakesi kinni püüda - on praeguseks juba vana müts. Lõppude lõpuks leiutas pintseti Arthur Ashkin 1970. aastal. Ja ta sai selle eest Nobeli preemia sel aastal - arvatavasti pärast seda, kui selle peamine tähendus oli viimase poole sajandi jooksul realiseeritud.
Hämmastaval kombel pole see kaugeltki tõsi. Optiline pintsetid paljastab uusi võimalusi, aidates teadlastel mõista kvantmehaanikat - teooriat, mis selgitab loodust subatomaalsete osakeste osas.
See teooria on viinud veidrate ja vastuoluliste järeldusteni. Üks neist on see, et kvantmehaanika võimaldab ühel objektil eksisteerida korraga kahes erinevas reaalsuse olekus. Näiteks võimaldab kvantfüüsika kehal olla kosmoses korraga kahes erinevas kohas - või nii surnud kui ka elus, nagu Schrödingeri kassi kuulsas mõttekatses.
Schrodingeri kassi kaks olekut: surnud (vasakul) ja elus (paremal). Kvantfüüsika ütleb, et kass võib eksisteerida mõlemas olekus samaaegselt. (Rhoeo / Shutterstock.com) Selle nähtuse tehniline nimi on superpositsioon. Pisikeste objektide, näiteks üksiku aatomi korral on täheldatud superpositsioone. Kuid selgelt ei näe me oma igapäevaelus kunagi superpositsiooni. Näiteks ei näe me tassi kohvi kahes kohas korraga.
Selle tähelepaneku selgitamiseks on teoreetilised füüsikud soovitanud, et suurte objektide - isegi umbes miljardi aatomit sisaldavate nanoosakeste puhul - kukuvad superpositsioonid standardkvantmehaanika lagunemise tõttu kahest võimalusest kiiresti ühte või teise. Suuremate objektide korral on varisemiskiirus kiirem. Schrodingeri kassi jaoks oleks see kokkuvarisemine - "elus" või "surnud" - praktiliselt kohene, selgitades, miks me ei näe kunagi, et kassi pealiskaudne olek on kahes olekus korraga.
Kuni viimase ajani ei saanud neid “kokkuvarismisteooriaid”, mis nõuaksid õpikute kvantmehaanika modifikatsioone, katsetada, kuna suurt objekti on ülipositsioonil keeruline ette valmistada. Selle põhjuseks on asjaolu, et suuremad objektid suhtlevad ümbritsevaga rohkem kui aatomid või alaatomilised osakesed - see põhjustab soojuse lekkeid, mis hävitavad kvantseisundid.
Füüsikutena huvitavad meid kokkuvarismisteooriad, kuna tahaksime kvantfüüsikast paremini aru saada, ja eriti seetõttu, et on teoreetilisi märke, et kokkuvarisemine võib olla tingitud gravitatsioonilistest mõjudest. Põnevat oleks leida seos kvantfüüsika ja gravitatsiooni vahel, kuna kogu füüsika toetub nendele kahele teooriale ja nende ühtne kirjeldus - niinimetatud kõige teooria - on tänapäevase teaduse üks peamisi eesmärke.
Sisestage optiline pintsetti
Optilised pintsetid kasutavad ära asjaolu, et valgus võib ainele survet avaldada. Ehkki isegi intensiivse laserkiire kiirgusrõhk on üsna väike, näitas Ashkin esimesena, et see on piisavalt suur, et toetada nanoosakest, vastandades gravitatsiooni ja levitades seda tõhusalt.
2010. aastal mõistis rühm teadlasi, et selline optilise pintseti käes olev nanoosake on selle keskkonnast hästi isoleeritud, kuna see ei puutunud kokku materiaalse toega. Neid ideid järgides pakkusid mitmed rühmad välja võimalused nanoosakeste superpositsioonide loomiseks ja jälgimiseks kahes erinevas ruumilises asukohas.
Tongcang Li ja Lu Ming Duani rühmade 2013. aastal väljapakutud intrigeeriv skeem hõlmas nanodiamandikristalle pintsetiga. Nanoosake ei istu veel pintseti sees. Pigem võngub see kahe koha vahel nagu pendl, kusjuures taastamisjõud tuleneb laseri tekitatavast kiirgusrõhust. Lisaks sisaldab see romb-nanokristall saastavat lämmastikuaatomit, mida võib pidada väikeseks magnetiliseks põhja- (N) ja lõuna (S) poolusega.
Li-Duani strateegia koosnes kolmest etapist. Esiteks tegid nad ettepaneku jahutada nanoosakese liikumine selle kvant-põhiseisundisse. See on madalaim energiatase, mis seda tüüpi osakestel olla võib. Võib arvata, et sellises olekus lakkab osake liikuma ja ei võnnu üldse. Kui see aga juhtus, teaksime, kus osake paiknes (pintseti keskel), kui hästi, kui kiiresti see liikus (üldse mitte). Kuid kuulus Heisenbergi kvantfüüsika määramatuse põhimõte ei luba samaaegset täpsemat teadmist nii asukoha kui ka kiiruse kohta. Seega liigub osake isegi kõige madalamas energiaseisundis natuke ringi, just kvantmehaanika seaduste täitmiseks piisavalt.
Teiseks nõudis Li ja Duani skeem magnetilise lämmastikuaatomi ettevalmistamist selle põhjapooluse superpositsioonis nii üles kui ka alla.
Lõpuks oli lämmastikuaatomi sidumiseks levitatava teemandikristalli liikumisega vaja magnetvälja. See viiks aatomi magnetilise superpositsiooni nanokristalli asukoha superpositsioonile. Selle ülekande võimaldab asjaolu, et aatom ja nanoosakesed on magnetväljaga seotud. See toimub samal viisil, kui lagunenud ja mitte lagunenud radioaktiivse proovi superpositsioon muudetakse Schrodingeri kassi superpositsiooniks surnud ja elus olekus.
Varisemisteooria tõestamine
Superpositsiooni koondamine ühte kohta. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) Mis andis sellele teoreetilisele tööle hambad, olid kaks põnevat eksperimentaalset arengut. Juba 2012. aastal näitasid Lukas Novotny ja Romain Quidandi rühmad, et optilise pintseti intensiivsuse moduleerimise teel on võimalik optiliselt levitatud nanoosakesi jahutada sajandik kraadini üle absoluutse nulli - madalaim temperatuur teoreetiliselt võimalik -. Mõju oli sama, kui aeglustada lapsele kiike, vajutades õigel ajal.
2016. aastal suutsid samad teadlased jahutada kümnenda tuhande kraadini üle absoluutse nulli. Umbes sel ajal avaldasid meie rühmad paberi, milles kinnitati, et pingestatud nanoosakese kvantpõhi oleku saavutamiseks vajalik temperatuur oli umbes miljonendik kraadi absoluutsest nullist kõrgemal. See nõue on keeruline, kuid käimasolevate katsete ulatuses.
Teine põnev areng oli lämmastikku defekte kandva nanodiamandi eksperimentaalne levitamine 2014. aastal Nick Vamivakase rühmas. Magnetvälja abil suutsid nad saavutada ka lämmastikuaatomi ja kristalli liikumise füüsilise sidumise, mida nõuab Li-Duani skeemi kolmas samm.
Nüüd on võistlus jõudmas põhiseisundisse, nii et vastavalt Li-Duani plaanile võib vaadelda kahes kohas asuvat objekti kokku varisemas. Kui ülipositsioonid hävitatakse kokkuvarisemisteooriate ennustatud kiirusega, tuleb kvantmehaanika, nagu me teame, läbi vaadata.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Mishkat Bhattacharya, Rochesteri Tehnikainstituudi astronoomiakooli dotsent ja Rochesteri ülikooli kvantoptika ja kvantfüüsika dotsent Nick Vamivakas
