Нобелова награда Оптицал Твеезер открива нове назнаке како свемир функционише

Могло би се помислити да је оптички пинцета - фокусирани ласерски зрак који може ухватити мале честице - до сада већ стари шешир. На крају крајева, пинцету је измислио Артхур Асхкин 1970. године. И ове године је добио Нобелову награду за ову годину - вероватно након што су њене главне импликације остварене током последњих пола века.

Запањујуће, ово је далеко од истине. Оптички пинцет открива нове способности док помаже научницима да разумеју квантну механику, теорију која објашњава природу у смислу субатомских честица.

Ова теорија је довела до неких чудних и супротстављених закључака. Једна од њих је да квантна механика дозвољава да један објекат постоји у два различита стања реалности у исто време. На пример, квантна физика омогућава телу да буде на два различита места у простору истовремено - или мртво и живо, као у чувеном мисаоном експерименту Шредингерове мачке.

Технички назив за овај феномен је суперпозиција. Уочене су суперпозиције за ситне објекте као што су појединачни атоми. Али јасно, никада не видимо суперпозицију у нашим свакодневним животима. На пример, не видимо шалицу кафе на две локације у исто време.

Да би објаснили ово опажање, теоретски физичари су предложили да се за велике објекте - чак и за наночестице које садрже око милијарду атома - суперпозиције брзо сруше на једну или другу од двије могућности, због слома стандардне квантне механике. За веће објекте брзина колапса је бржа. За Сцхродингерову мачку, овај колапс - „жив“ или „мртав“ - био би практично тренутан, објашњавајући зашто никада не видимо суперпозицију мачке у два стања одједном.

До недавно, те "теорије колапса", које би захтијевале модификације квантне механике уџбеника, нису могле бити тестиране, јер је тешко припремити велики објект у суперпозицији. То је због тога што већи објекти интерагују више са својим окружењем него атоми или субатомске честице - што доводи до цурења топлоте који уништава квантна стања.

Као физичари, заинтересовани смо за теорије колапса, јер бисмо волели да боље разумемо квантну физику, а посебно зато што постоје теоријске индикације да би колапс могао бити последица гравитационих ефеката. Веза између квантне физике и гравитације била би узбудљива јер би сва физика почивала на ове две теорије, а њихов уједињени опис - такозвана Теорија свега - један је од великих циљева модерне науке.

Уђите у оптички пинцет

Оптичке пинцете искориштавају чињеницу да свјетло може вршити притисак на материју. Иако је притисак зрачења чак и од интензивног ласерског снопа прилично мали, Асхкин је био прва особа која је показала да је довољно велика да подупре наночестицу, супротстављајући се гравитацији, ефективно левитирајући.

2010. године група истраживача је схватила да је таква наночестица коју држи оптички пинцет добро изолована од свог окружења јер није била у контакту са било каквом материјалном подршком. Пратећи ове идеје, неколико група предложило је начине за стварање и посматрање суперпозиција наночестица на две различите просторне локације.

Интригантна шема коју су предложиле групе Тонгцанг Ли и Лу Минг Дуан у 2013. укључивала је кристал нанодијаманта у пинцету. Наночестица не лежи мирно унутар пинцете. Уместо тога, осцилира као клатно између две локације, са повратном силом која долази од притиска зрачења због ласера. Даље, овај дијамантни нанокристал садржи контаминирајући атом азота, који се може сматрати малим магнетом, са северним (Н) полом и јужним (С) полом.

Ли-Дуан стратегија се састојала од три корака. Прво су предложили хлађење кретања наночестице у квантно основно стање. Ово је најниже енергетско стање које овај тип честице може имати. Можемо очекивати да у овом стању честица престане да се креће и уопште не осцилира. Међутим, ако би се то догодило, знали бисмо гдје је честица (у средини пинцете), као и брзину кретања (уопће). Али истовремена савршена сазнања о положају и брзини није дозвољена познатим Хеисенберговим принципом неизвесности квантне физике. Тако, чак иу најнижем енергетском стању, честица се помера мало, довољно да задовољи законе квантне механике.

Друго, Ли и Дуан шема захтевају да се магнетни атом азота припреми у суперпозицији његовог северног пола који је окренут према горе, као и према доле.

Коначно, било је потребно магнетно поље да би се атом азота повезао са кретањем левитованог кристала дијаманта. Ово би пренијело магнетну суперпозицију атома на локацију суперпозиције нанокристала. Овај пренос је омогућен чињеницом да су атом и наночестица заплетени магнетним пољем. То се дешава на исти начин на који се суперпозиција распаднутог и не-распаднутог радиоактивног узорка претвара у суперпозицију Сцхродингер-ове мачке у мртвим и живим стањима.

Доказивање теорије колапса

Оно што је дало теоретски рад зубима била су два узбудљива експериментална развоја. Већ 2012. године групе Лукас Новотнија и Ромаина Куиданта показале су да је могуће хладити оптички левитирану наночестицу на стотинку степена изнад апсолутне нуле - најнижу теоретски могућу температуру - модулирањем интензитета оптичког пинцета. Ефекат је био исти као и успоравање детета на замаху притискањем у право време.

Исти истраживачи су у 2016. могли да се охладе до десет хиљаде степена изнад апсолутне нуле. Око тог времена наше групе су објавиле рад који је установио да је температура потребна за достизање квантног основног стања наночестице са пинцетом била око милионити део степена изнад апсолутне нуле. Овај захтјев је изазован, али је у домету текућих експеримената.

Други узбудљив развој био је експериментална левитација нанодаманта који носи душик-дефект у 2014. години у групи Ник Вамивакаса. Користећи магнетно поље, они су такође били у стању да постигну физичко повезивање атома азота и кристалног кретања које захтева трећи корак Ли-Дуан шеме.

Раса је сада на путу да достигне основно стање тако да се - према Ли-Дуан плану - може посматрати објекат на две локације који се сруши у један ентитет. Ако су суперпозиције уништене брзином која је предвиђена теоријама колапса, квантна механика као што знамо мораће бити ревидирана.

Овај чланак је првобитно објављен на разговору Мисхкат Бхаттацхариа и Ницк Вамивакас. Прочитајте оригинални чланак овде.