Eksperimenter med optisk pincet ræser for at teste kvantemekanikkens love

Man kunne tro, at den optiske pincet – en fokuseret laserstråle, der kan fange små partikler – er gammel hat efterhånden. Trods alt, pincetten blev opfundet af Arthur Ashkin i 1970. Og han modtog Nobelprisen for den i år - formentlig efter at dens vigtigste implikationer var blevet realiseret i løbet af det sidste halve århundrede.

Utroligt nok, dette er langt fra sandt. Den optiske pincet afslører nye muligheder, mens den hjælper videnskabsmænd med at forstå kvantemekanik, teorien, der forklarer naturen i form af subatomære partikler.

Denne teori har ført til nogle mærkelige og kontraintuitive konklusioner. En af dem er, at kvantemekanikken tillader, at et enkelt objekt kan eksistere i to forskellige virkelighedstilstande på samme tid. For eksempel, kvantefysik tillader en krop at være på to forskellige steder i rummet samtidigt - eller både død og levende, som i det berømte tankeeksperiment af Schrödingers kat.

Det tekniske navn for dette fænomen er superposition. Superpositioner er blevet observeret for små objekter som enkelte atomer. Men klart, vi ser aldrig en superposition i vores hverdag. For eksempel, vi ser ikke en kop kaffe to steder på samme tid.

For at forklare denne observation, teoretiske fysikere har foreslået, at for store objekter – selv for nanopartikler, der indeholder omkring en milliard atomer – kollapser superpositioner hurtigt til den ene eller den anden af ​​de to muligheder, på grund af et sammenbrud af standard kvantemekanik. For større genstande er kollapshastigheden hurtigere. Til Schrödingers kat, dette sammenbrud – til "levende" eller "dødt" – ville være praktisk talt øjeblikkeligt, forklarer, hvorfor vi aldrig ser superpositionen af ​​en kat, der er i to tilstande på én gang.

Indtil for nylig, disse "kollapsteorier, "hvilket ville kræve ændringer af lærebogens kvantemekanik, kunne ikke afprøves, da det er svært at forberede en stor genstand i en superposition. Dette skyldes, at større objekter interagerer mere med deres omgivelser end atomer eller subatomære partikler - hvilket fører til lækager i varme, der ødelægger kvantetilstande.

Som fysikere, vi er interesserede i kollapsteorier, fordi vi gerne vil forstå kvantefysik bedre, og specifikt fordi der er teoretiske indikationer på, at kollapset kan skyldes gravitationseffekter. En sammenhæng mellem kvantefysik og tyngdekraft ville være spændende at finde, da al fysik hviler på disse to teorier, og deres forenede beskrivelse – den såkaldte Theory of Everything – er et af den moderne videnskabs store mål.

Indtast den optiske pincet

Optisk pincet udnytter det faktum, at lys kan udøve pres på stoffet. Selvom strålingstrykket fra selv en intens laserstråle er ret lille, Ashkin var den første person, der viste, at den var stor nok til at understøtte en nanopartikel, modvirke tyngdekraften, effektivt at levitere det.

I 2010 indså en gruppe forskere, at sådan en nanopartikel holdt af en optisk pincet var godt isoleret fra sit miljø, da den ikke var i kontakt med nogen materiel støtte. Efter disse ideer, flere grupper foreslog måder at skabe og observere superpositioner af en nanopartikel på to forskellige rumlige steder.

En spændende plan foreslået af grupperne Tongcang Li og Lu Ming Duan i 2013 involverede en nanodiamantkrystal i en pincet. Nanopartiklerne sidder ikke stille inde i pincetten. Hellere, det svinger som et pendul mellem to steder, med gendannelseskraften, der kommer fra strålingstrykket på grund af laseren. Yderligere, denne diamant nanokrystal indeholder et forurenende nitrogenatom, som kan opfattes som en lille magnet, med en nord (N) pol og en syd (S) pol.

Li-Duan-strategien bestod af tre trin. Først, de foreslog at afkøle nanopartikelens bevægelse til dens kvantegrundtilstand. Dette er den laveste energitilstand denne type partikel kan have. Vi kunne forvente, at partiklen i denne tilstand holder op med at bevæge sig rundt og slet ikke svinger. Imidlertid, hvis det skete, vi ville vide, hvor partiklen var (i midten af ​​pincetten), samt hvor hurtigt den bevægede sig (slet ikke). Men samtidig perfekt viden om både position og hastighed er ikke tilladt af det berømte Heisenberg-usikkerhedsprincip i kvantefysikken. Dermed, selv i dens laveste energitilstand, partiklen bevæger sig lidt rundt, lige nok til at opfylde kvantemekanikkens love.

Sekund, Li- og Duan-skemaet krævede, at det magnetiske nitrogenatom blev forberedt i en superposition af dets nordpol, der pegede op såvel som nedad.

Endelig, et magnetfelt var nødvendigt for at forbinde nitrogenatomet med bevægelsen af ​​den leviterede diamantkrystal. Dette ville overføre atomets magnetiske superposition til nanokrystallens placering. Denne overførsel muliggøres af det faktum, at atomet og nanopartiklerne er viklet ind af magnetfeltet. Det sker på samme måde, som superpositionen af ​​den henfaldne og ikke-henfaldne radioaktive prøve omdannes til superpositionen af ​​Schrodingers kat i døde og levende tilstande.

Beviser kollapsteorien

Det, der gav dette teoretiske arbejde tænder, var to spændende eksperimentelle udviklinger. Allerede i 2012 viste grupperne Lukas Novotny og Romain Quidant, at det var muligt at afkøle en optisk leviteret nanopartikel til en hundrededel af en grad over det absolutte nulpunkt – den laveste temperatur teoretisk muligt – ved at modulere intensiteten af ​​den optiske pincet. Effekten var den samme som ved at bremse et barn på en gynge ved at skubbe på de rigtige tidspunkter.

I 2016 var de samme forskere i stand til at afkøle til en ti tusindedel af en grad over det absolutte nulpunkt. Omkring dette tidspunkt udgav vores grupper et papir, der fastslår, at den temperatur, der kræves for at nå kvantegrundtilstanden for en tweezed nanopartikel, var omkring en milliontedel af en grad over det absolutte nulpunkt. Dette krav er udfordrende, men inden for rækkevidde af igangværende eksperimenter.

Den anden spændende udvikling var den eksperimentelle levitation af en nitrogen-defekt-bærende nanodiamant i 2014 i Nick Vamivakas' gruppe. Ved hjælp af et magnetfelt, de var også i stand til at opnå den fysiske kobling af nitrogenatomet og den krystalbevægelse, der kræves af det tredje trin i Li-Duan-skemaet.

Kapløbet er nu i gang for at nå grundtilstanden, så - ifølge Li-Duan-planen - kan et objekt på to steder ses kollapse til en enkelt enhed. Hvis superpositionerne ødelægges med den hastighed, som er forudsagt af kollapsteorierne, kvantemekanikken, som vi kender den, skal revideres.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.