Lahko bi si mislili, da je optična pinceta - osredotočen laserski žarek, ki lahko lovi majhne delce - že stara kapa. Konec koncev je pinceto izumil Arthur Ashkin leta 1970. In zanj je letos prejel Nobelovo nagrado - verjetno po tem, ko so se v zadnjih pol stoletja uresničile njegove glavne posledice.
Neverjetno, to še zdaleč ni res. Optični pinceta razkriva nove zmogljivosti, hkrati pa pomaga znanstvenikom razumeti kvantno mehaniko, teorijo, ki pojasnjuje naravo v smislu subatomskih delcev.
Ta teorija je pripeljala do nekaterih čudnih in kontratuktivnih zaključkov. Ena izmed njih je, da kvantna mehanika omogoča, da en sam predmet obstaja hkrati v dveh različnih stanjih resničnosti. Na primer, kvantna fizika omogoča, da je telo hkrati na dveh različnih lokacijah v vesolju - ali mrtvo in živo, kot v znamenitem miselnem poskusu mačke Schrödinger.
Dve stanji Schrodingerjeve mačke: mrtva (na levi) in živa (na desni). Kvantna fizika pravi, da lahko mačka obstaja v obeh stanjih hkrati. (Rhoeo / Shutterstock.com) Tehnično ime tega pojava je superpozicija. Za drobne predmete, kot so posamezni atomi, smo opazili superpozicije. Toda jasno, v vsakdanjem življenju nikoli ne vidimo superpozicije. Na primer, na dveh lokacijah hkrati ne vidimo skodelice kave.
Za razlago tega opažanja so teoretični fiziki predlagali, da se pri večjih objektih - tudi za nanodelce, ki vsebujejo približno milijardo atomov - superpozicije hitro porušijo na eno ali drugo od obeh možnosti zaradi razpada standardne kvantne mehanike. Pri večjih objektih je hitrost propada hitrejša. Za mačko Schrodinger bi bil ta propad - "živ" ali "mrtev" praktično trenuten, razloži, zakaj nikoli ne vidimo, da bi bila mačka naenkrat v dveh stanjih.
Do nedavnega teh „teorij kolapsa“, ki bi zahtevale modifikacije kvantne mehanike učbenika, ni bilo mogoče preizkusiti, saj je težko pripraviti velik objekt v superpoziciji. To je zato, ker večji predmeti bolj vplivajo na svojo okolico kot atomi ali subatomski delci - kar vodi do uhajanja toplote, ki uničuje kvantna stanja.
Kot fizike nas zanimajo teorije kolapsa, ker bi radi kvantno fiziko bolje razumeli, in zlasti zato, ker obstajajo teoretični pokazatelji, da bi lahko prišlo do rušenja zaradi gravitacijskih učinkov. Povezava med kvantno fiziko in gravitacijo bi bilo zanimivo najti, saj vsa fizika temelji na teh dveh teorijah, njihov enoten opis - tako imenovana Teorija vsega - pa je eden glavnih ciljev sodobne znanosti.
Vnesite optični pinceto
Optični pinceti izkoriščajo dejstvo, da lahko svetloba pritiska na materijo. Čeprav je pritisk sevanja iz celo intenzivnega laserskega žarka precej majhen, je bil Ashkin prva oseba, ki je pokazala, da je dovolj velik, da podpira nanodelce, ki nasprotujejo gravitaciji, in ga učinkovito levita.
Leta 2010 je skupina raziskovalcev ugotovila, da je takšen nanodelček, ki ga ima optični pinceta, dobro izoliran od svojega okolja, saj ni bil v stiku z nobeno materialno podporo. Na podlagi teh idej je več skupin predlagalo načine ustvarjanja in opazovanja superpozicij nanodelcev na dveh različnih prostorskih lokacijah.
Intrigantna shema, ki sta jo leta 2013 predlagali skupini Tongcang Li in Lu Ming Duan, je v pinceto vključila nanodiamantni kristal. Nanodelček ne miruje znotraj pincete. Namesto tega niha med dvema lokacijama, kot nihalo, pri čemer obnovitvena sila, ki izhaja iz tlaka sevanja zaradi laserja. Nadalje ta diamantni nanokristal vsebuje onesnaževalni atom dušika, ki ga lahko razumemo kot droben magnet s severnim (N) in južnim (S) polom.
Strategija Li-Duan je bila sestavljena iz treh korakov. Najprej so predlagali ohlajanje gibanja nanodelca do njegovega kvantnega osnovnega stanja. To je najnižje energijsko stanje, ki ga ta vrsta delcev lahko ima. Lahko pričakujemo, da se v tem stanju delček preneha gibati in sploh ne niha. Če pa bi se to zgodilo, bi vedeli, kje je delček (v središču pincete), pa tudi, kako hitro se je premikal (sploh ne). Toda sočasno popolno znanje o položaju in hitrosti ne dopušča znamenito Heisenbergovo načelo negotovosti kvantne fizike. Tako se delček tudi v svojem najnižjem energijskem stanju giblje okoli, ravno toliko, da zadosti zakonom kvantne mehanike.
Drugič, shema Li in Duan je zahtevala, da se atom magnetnega dušika pripravi v položaju superpozicije njegovega severnega pola navzgor in navzdol.
Nazadnje je bilo potrebno magnetno polje za povezavo atoma dušika s premikom levitatiranega diamantnega kristala. To bi magnetno superpozicijo atoma preneslo v lokacijsko superpozicijo nanokristala. Ta prenos omogoči dejstvo, da sta atom in nanodelci zapletena z magnetnim poljem. Zgodi se tako, kot da se superpozicija propadajočega in ne razpadajočega radioaktivnega vzorca pretvori v superpozicijo Schrodingerjeve mačke v mrtvih in živih stanjih.
Dokazovanje teorije propada
Zmanjšanje superpozicije na eno mesto. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) To teoretično delovno zob sta dala dva vznemirljiva eksperimentalna razvoja. Že leta 2012 sta skupini Lukas Novotny in Romain Quidant pokazali, da je mogoče z modulacijo intenzitete optične pincete ohlajati optično levitacijski nanodelček do stotine stopinj nad absolutno ničlo - teoretično najnižjo temperaturo. Učinek je bil enak kot pri upočasnitvi otroka na gugalnici s pritiskom ob pravem času.
V letu 2016 so se isti raziskovalci lahko ohladili na deset tisoč stopinj nad absolutno ničlo. Približno v tem času so naše skupine objavile prispevek, v katerem je bilo ugotovljeno, da je bila temperatura, potrebna za doseganje kvantnega stanja tal tweeziranega nanodelca, približno milijon stopinje nad absolutno ničlo. Ta zahteva je zahtevna, vendar v dosegu trenutnih poskusov.
Drugi vznemirljivi razvoj je bila eksperimentalna levitacija nanodijamanta, ki nosi dušik, leta 2014 v skupini Nicka Vamivakasa. Z magnetnim poljem so lahko dosegli tudi fizično spajanje dušikovega atoma in gibanje kristala, ki ga zahteva tretji korak Li-Duanove sheme.
Zdaj je tekma, da doseže osnovno stanje, tako da - po načrtu Li-Duan - lahko objekt na dveh lokacijah opazimo, da se zruši v eno celoto. Če se superpozicije uničijo s hitrostjo, ki jo predvidevajo teorije o propadu, bo treba kvantno mehaniko spremeniti, kot jo poznamo.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Mishkat Bhattacharya, izredni profesor na Astronomski šoli, Rochesterski tehnološki inštitut, in Nick Vamivakas, izredni profesor za kvantno optiko in kvantno fiziko, Univerza v Rochesteru
