Gondolhatjuk, hogy az optikai csipesz - egy fókuszált lézernyaláb, amely befoghatja a kis részecskéket - manapság már régi kalap. Végül is, a csipeszt Arthur Ashkin fedezte fel 1970-ben. És ebben az évben kapta a Nobel-díjat - feltehetően azután, hogy annak legfontosabb következményei az elmúlt fél évszázad során megvalósultak.
Meglepő módon ez messze nem igaz. Az optikai csipesz új képességeket tár fel, miközben segíti a tudósokat a kvantummechanika megértésében, az elméletben, amely magyarázza a természet szubatomi részecskéket.
Ez az elmélet furcsa és anti-intuitív következtetésekhez vezetett. Az egyik az, hogy a kvantummechanika lehetővé teszi, hogy egyetlen objektum létezzen a valóság két különböző állapotában egyszerre. Például a kvantumfizika lehetővé teszi, hogy a test egyidejűleg két különböző helyre kerüljön az űrben - akár halott, akár életben is, mint például Schrödinger macskájának híres gondolatkísérlete.
Schrodinger macskájának két állapota: halott (bal oldalon) és élő (jobb oldalon). A kvantumfizika szerint a macska mindkét állapotban egyszerre létezhet. (Rhoeo / Shutterstock.com) Ennek a jelenségnek a technikai neve a szuperpozíció. Szuperpozíciókat figyeltünk meg olyan apró tárgyak esetében, mint az egyes atomok. De nyilvánvalóan soha nem látunk szuperpozíciót mindennapi életünkben. Például, nem látunk egy csésze kávét két helyen egyszerre.
Ennek a megfigyelésnek a magyarázata érdekében az elméleti fizikusok azt sugallták, hogy nagy objektumok esetén - akár körülbelül egymilliárd atomot tartalmazó nanorészecskéknél is - a szuperpozíciók a két kvantum egyikére vagy a másikra gyorsan összeomlanak a szokásos kvantummechanika bontása miatt. Nagyobb objektumok esetében az összeomlás sebessége gyorsabb. Schrodinger macskájának ez az összeomlás - „életben” vagy „halottban” - gyakorlatilag azonnali lenne, magyarázva, miért nem látjuk soha a macska szuperpozícióját egyszerre két állapotban.
A közelmúltig ezeket a „összeomláselméleteket”, amelyek megkövetelik a tankönyvek kvantummechanikájának módosítását, nem lehetett tesztelni, mivel nehéz nagy objektumot előállítani egy szuperpozícióban. Ennek oka az, hogy a nagyobb tárgyak jobban kölcsönhatásba lépnek a környezetükkel, mint az atomok vagy a szubatomi részecskék - ami hőszivárgáshoz vezet, amely elpusztítja a kvantumállapotokat.
Fizikusként az összeomláselméletek iránti érdeklődés az, mert jobban szeretnénk megérteni a kvantumfizikát, és különösen azért, mert vannak elméleti jelek arra, hogy az összeomlás gravitációs hatások következménye lehet. Izgalmas lenne összefüggést találni a kvantumfizika és a gravitáció között, mivel az összes fizika e két elméletre támaszkodik, és azok egységes leírása - az úgynevezett mindent elmélete - a modern tudomány egyik fő célja.
Írja be az optikai csipeszt
Az optikai csipesz kihasználja azt a tényt, hogy a fény nyomást gyakorolhat az anyagra. Bár még az intenzív lézernyalábból származó sugárnyomás meglehetősen kicsi, Ashkin volt az első, aki megmutatta, hogy elég nagy ahhoz, hogy támogassa a nanorészecskét, ellensúlyozva a gravitációt, és hatékonyan lebegve azt.
2010-ben egy kutatók egy csoportja rájött, hogy egy ilyen optikai csipesszel tartott nanorészecske jól el van szigetelve a környezetétől, mivel nem volt semmiféle anyagi támogatással. Ezeket az ötleteket követve több csoport javasolta, hogyan lehet nanorészecskék szuperpozícióit létrehozni és megfigyelni két különálló térbeli helyen.
A Tongcang Li és Lu Ming Duan képviselőcsoportjai által 2013-ban javasolt érdekes séma egy nanodiamond-kristály bevonását egy csipeszbe. A nanorészecske nem ül mozdulatlanul a csipeszben. Inkább úgy mozog, mint egy inga két hely között, és a helyreállító erő a lézer által okozott sugárzási nyomásból származik. Ezenkívül ez a gyémánt nanokristály tartalmaz egy szennyező nitrogénatomot, amelyet apró mágnesnek lehet tekinteni, egy északi (N) és egy déli (S) pólusgal.
A Li-Duan stratégia három lépésből állt. Először azt javasolták, hogy a nanorészecske mozgását hűtsék le kvantális alapállapotba. Ez a legalacsonyabb energiaállapot, amely ilyen típusú részecskéknek lehet. Arra számíthatunk, hogy ebben az állapotban a részecske mozog, és egyáltalán nem rezg. Ha azonban ez megtörténne, akkor tudnánk, hogy hol volt a részecske (a csipesz középpontjában), és hogy milyen gyorsan mozog (egyáltalán nem). A helyzet és a sebesség egyidejű tökéletes ismeretét azonban nem engedi meg a kvantumfizika híres Heisenberg bizonytalanság elve. Így a részecske még a legalacsonyabb energiaállapotban is kicsit körül mozog, éppen annyira, hogy eleget tegyen a kvantummechanika törvényeinek.
Másodszor, a Li és Duan séma szerint a mágneses nitrogénatomot fel kell készíteni északi pólusának felfelé és lefelé mutató szuperpozíciójával.
Végül mágneses mezőre volt szükség ahhoz, hogy a nitrogénatom összekapcsolódjon a lebegő gyémánt kristály mozgásával. Ez átviszi az atom mágneses szuperpozícióját a nanokristály hely szuperpozíciójába. Ezt az átadást lehetővé teszi az a tény, hogy az atom és a nanorészecske összefonódik a mágneses mezővel. Ugyanígy történik, hogy a lebontott és nem lebontott radioaktív minta szuperpozíciója Schrodinger macskájának szuperpozíciójává alakul át halott és életben lévő állapotokban.
Az összeomláselmélet bizonyítása
A szuperpozíció összecsukása egyetlen helyre. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) Két izgalmas kísérleti fejlesztés adta ezt az elméleti munkát. Lukas Novotny és Romain Quidant csoportjai már 2012-ben megmutatták, hogy az optikailag lebegő nanorészecskék az abszolút nulla feletti fok százszorra hűthetők - ez az elméletileg lehetséges legalacsonyabb hőmérséklet - az optikai csipesz intenzitásának modulálásával. A hatás ugyanaz volt, mintha egy gyermeket hirtelen lassítanánk a megfelelő időben történő tolással.
2016-ban ugyanazok a kutatók képesek voltak lehűlni az abszolút nulla feletti fok tizedrészére. Körülbelül ebben az időben csoportjaink publikáltak egy dokumentumot, amely megállapította, hogy a becsavarozott nanorészecskék kvantum alapállapotának eléréséhez szükséges hőmérséklet körülbelül egymillióoddal van az abszolút nulla felett. Ez a követelmény kihívást jelent, de a folyamatban lévő kísérletek körében elérhető.
A második izgalmas fejlesztés egy nitrogénhiányt hordozó nanodiamond kísérleti levitálása volt 2014-ben Nick Vamivakas csoportjában. Mágneses tér felhasználásával képesek voltak elérni a nitrogénatom fizikai kapcsolását és a Li-Duan séma harmadik lépésében megkövetelt kristálymozgást.
A verseny folytatódik, hogy elérje az alapállapotot, így - a Li-Duan terv szerint - két helyen lévő tárgy megfigyelhető, hogy egyetlen entitásra összeomlik. Ha a szuperpozíciókat az összeomláselméletek által előre jelzett sebességgel pusztítják el, akkor a kvantummechanikát, amint tudjuk, felül kell vizsgálni.
Ezt a cikket eredetileg a The Conversation kiadta.
Mishkat Bhattacharya, a Rochesteri Technológiai Intézet Csillagászati Tanszékének docens és Nick Vamivakas, a Rochesteri Egyetem kvantumoptika és kvantumfizika docens
