Nobela prēmijas optiskais pincete atklāj jaunus clues to, kā darbojas Universe

Varētu domāt, ka optiskais pincete - fokusēts lāzera starojums, kas var notvert nelielas daļiņas - tagad ir veca cepure. Galu galā, pincete tika izgudrota Arthuram Ashkinam 1970. gadā. Un šogad viņš saņēma Nobela prēmiju - iespējams, pēc tam, kad pēdējās pusgadsimta laikā tika īstenotas tās galvenās sekas.

Pārsteidzoši, tas nav īsti. Optiskais pincete atklāj jaunas iespējas, palīdzot zinātniekiem saprast kvantu mehāniku, teoriju, kas izskaidro dabu subatomisko daļiņu ziņā.

Šī teorija ir novedusi pie dažiem dīvainiem un pretrunīgiem secinājumiem. Viens no tiem ir tas, ka kvantu mehānika ļauj vienam objektam vienlaikus eksistēt divos dažādos realitātes stāvokļos. Piemēram, kvantu fizika ļauj ķermenim vienlaicīgi atrasties divās dažādās vietās kosmosā - gan gan mirušos, gan dzīvos, tāpat kā slavenā Schrödinger kaķa domāšanas eksperimentā.

Šīs parādības tehniskais nosaukums ir superpozīcija. Mazie objekti, piemēram, atsevišķi atomi, ir novēroti superpozīcijās. Bet, protams, mēs nekad neredzam superpozīciju mūsu ikdienas dzīvē. Piemēram, mēs neredzam kafijas tasi divās vietās vienlaicīgi.

Lai izskaidrotu šo novērojumu, teorētiskie fiziķi ir norādījuši, ka lieliem priekšmetiem - pat nanodaļiņām, kas satur aptuveni miljardu atomu - ātri nokļūst vienā vai otrā no divām iespējām, jo ​​standarta kvantu mehānika ir sadalīta. Lielākiem objektiem sabrukšanas ātrums ir ātrāks. Šrīdingera kaķim šis sabrukums - „dzīvs” vai „miris” - būtu praktiski acumirklīgs, izskaidrojot, kāpēc mēs nekad neredzam, ka kaķis ir divās valstīs.

Vēl nesen šīs “sabrukšanas teorijas”, kas prasītu mācību grāmatas kvantu mehānikas modifikācijas, nevarēja pārbaudīt, jo ir grūti sagatavot lielu objektu superpozīcijā. Tas ir tāpēc, ka lielāki objekti mijiedarbojas ar apkārtējo vidi nekā atomi vai subatomiskās daļiņas, kas izraisa siltuma noplūdi, kas iznīcina kvantu stāvokli.

Kā fiziķi mēs esam ieinteresēti sabrukuma teorijās, jo mēs vēlamies labāk saprast kvantu fiziku un jo īpaši tāpēc, ka ir teorētiskas pazīmes, ka sabrukums var būt saistīts ar gravitācijas ietekmi. Saikne starp kvantu fiziku un gravitāciju būtu aizraujoša, jo visas fizikas balstās uz šīm divām teorijām, un to vienotais apraksts - tā sauktā "Viss" teorija - ir viens no mūsdienu zinātnes grandiozajiem mērķiem.

Ievadiet optisko pinceti

Optiskie pinceti izmanto to, ka gaisma var izdarīt spiedienu uz vielu. Lai gan pat intensīva lāzera starojuma radītais radiācijas spiediens ir diezgan mazs, Ashkin bija pirmā persona, kas parādīja, ka tā ir pietiekami liela, lai atbalstītu nanodaļiņu, novēršot gravitāciju, efektīvi to uzlādējot.

2010. gadā pētnieku grupa saprata, ka šāda nanodaļiņa, ko satur optiskā pincete, bija labi izolēta no tās vides, jo tā nebija saskarē ar kādu materiālu atbalstu. Pēc šīm idejām vairākas grupas ieteica veidus, kā izveidot un novērot nanodaļiņu superpozīcijas divās atšķirīgās telpiskās vietās.

Intriģējošā shēma, ko 2013. gadā ierosināja Tongcang Li un Lu Ming Duan grupas, bija nanodiamona kristāls pincete. Nanodaļiņa nav sēžamvietā. Drīzāk tas svārstās kā svārsts starp divām vietām, un atjaunojošais spēks nāk no lāzera radītā radiācijas spiediena. Turklāt šis dimanta nanokristāls satur piesārņojošu slāpekļa atomu, ko var uzskatīt par nelielu magnētu, ar ziemeļu (N) polu un dienvidu (S) polu.

Li-Duan stratēģija sastāvēja no trim posmiem. Pirmkārt, viņi ierosināja dzesēt nanodaļiņu kustību līdz tā kvantu zemes stāvoklim. Šis ir zemākais enerģijas stāvoklis, kāds var būt šāda veida daļiņām. Mēs varam sagaidīt, ka šajā stāvoklī daļiņa apstājas un vispār nemirgojas. Tomēr, ja tas noticis, mēs zinātu, kur daļiņa bija (pincete centrā), kā arī cik ātri tā kustās (vispār). Bet slavenā Heisenbergas nenoteiktības princips par kvantu fiziku vienlaicīgu perfektu zināšanu apguvi gan par pozīciju, gan ātrumu nav atļauts. Līdz ar to pat tās zemākajā enerģijas stāvoklī daļiņa pārvietojas mazliet, tikai pietiekami, lai apmierinātu kvantu mehānikas likumus.

Otrkārt, Li un Duan shēma pieprasīja, lai magnētiskais slāpekļa atoms tiktu sagatavots tā ziemeļu polu virsotnē, kas vērsta uz augšu, kā arī uz leju.

Visbeidzot, bija nepieciešams magnētiskais lauks, lai sasaistītu slāpekļa atomu ar levitētā dimanta kristāla kustību. Tas nodotu atoma magnētisko superpozīciju uz nanokristālu atrašanās vietu. Šo pārsūtīšanu nodrošina fakts, ka atoms un nanodaļiņas ir apgrūtinātas ar magnētisko lauku. Tas notiek tādā pašā veidā, ka bojātās un nesabrūkušās radioaktīvā parauga superpozīcija tiek pārvērsta par Schrodinger kaķa superpozīciju mirušos un dzīvos stāvokļos.

Sabrukšanas teorijas pierādīšana

Tas, kas sniedza šo teorētisko darbu, bija divi aizraujoši eksperimentāli notikumi. Jau 2012. gadā Lukas Novotny un Romain Quidant grupas parādīja, ka varēja atdzesēt optiski levitētu nanodaļiņu līdz simtdaļai virs absolūtās nulles - zemāko teorētiski iespējamo temperatūru - modulējot optiskā pincete intensitāti. Ietekme bija tāda pati kā bērna palēnināšana uz šūpoles, spiežot pareizajā laikā.

2016. gadā tie paši pētnieki varēja atdzist līdz desmit tūkstošiem grādu virs absolūtās nulles. Ap šo laiku mūsu grupas publicēja dokumentu, kurā tika konstatēts, ka temperatūra, kas nepieciešama, lai sasniegtu kvantu zemes stāvokli, ir aptuveni miljona daļa no absolūtās nulles. Šī prasība ir sarežģīta, taču notiekošo eksperimentu ietvaros.

Otrs aizraujošais notikums bija slāpekļa defektu nesošo nanodiamonda eksperimentāla levitācija 2014. gadā Nick Vamivakas grupā. Izmantojot magnētisko lauku, viņi varēja sasniegt arī slāpekļa atoma un kristāla kustības fizisko savienojumu, kas nepieciešams Li-Duan shēmas trešajam solim.

Šobrīd sacensības sākas, lai sasniegtu zemes stāvokli, lai - saskaņā ar Li-Duan plānu - objektu divās vietās var novērot sabrukumu vienā vienībā. Ja superpozīcijas tiek iznīcinātas pēc sabrukšanas teoriju prognozētās likmes, kvantu mehānika, kā mēs zinām, būs jāpārskata.

Šis raksts sākotnēji tika publicēts Mishkat Bhattacharya un Nick Vamivakas sarunā. Lasiet oriģinālo rakstu šeit.