En mængde fast stof:En glas -nanopartikel i kvantestyret

Forskere i Østrig har brugt lasere til at svæve og afkøle en glas nanopartikel ind i kvantestyret. Selvom det er fanget i et stuetemperaturmiljø, partikelens bevægelse er udelukkende styret af lovene i kvantefysikken. Teamet af forskere fra universitetet i Wien, det østrigske videnskabsakademi og Massachusetts Institute of Technology (MIT) offentliggjorde deres nye undersøgelse i tidsskriftet Videnskab .

Det er velkendt, at kvanteegenskaber for individuelle atomer kan styres og manipuleres med laserlys. Selv store skyer med hundredvis af millioner af atomer kan skubbes ind i kvantestyret, forårsager makroskopiske kvantetilstande af stof, såsom kvantegasser eller Bose-Einstein-kondensater, som i dag også er meget udbredt i kvanteteknologier. Et spændende næste trin er at udvide dette niveau af kvantekontrol til objekter i fast tilstand. I modsætning til atomskyer, tætheden af ​​et fast stof er en milliard gange højere, og alle atomer er bundet til at bevæge sig sammen langs objektets massecenter.

Imidlertid, at komme ind i dette nye regime er slet ikke en ligetil bestræbelse. Et første skridt for at opnå en sådan kvantestyring er at isolere objektet, der undersøges fra påvirkninger af miljøet og fjerne al termisk energi-ved at nedkøle det til temperaturer meget tæt på absolut nul (-273,15 grader Celsius), således at kvantemekanikken dominerer partikels bevægelse. For at vise dette, forskerne valgte at eksperimentere med en glasperle, der var cirka 1000 gange mindre end et sandkorn og indeholdt et par hundrede millioner atomer. Isolering fra miljøet opnås ved optisk at fange partiklen i en tæt fokuseret laserstråle i højt vakuum, et trick, der oprindeligt blev introduceret af nobelpristageren Arthur Ashkin for mange årtier siden, og det bruges også til at isolere atomer. "Den virkelige udfordring er at afkøle partikelbevægelsen til sin kvantejordstilstand. Laserkøling via atomovergange er veletableret og et naturligt valg for atomer, men det virker ikke for faste stoffer, "siger hovedforfatter Uros Delic fra universitetet i Wien.

Af denne grund, teamet har arbejdet på at implementere en laserkølingsmetode, der blev foreslået af den østrigske fysiker Helmut Ritsch ved universitetet i Innsbruck og, uafhængigt, af studieforfatter Vladan Vuletic og nobelpristager Steven Chu. De havde for nylig annonceret en første demonstration af arbejdsprincippet, hulrumskøling ved sammenhængende spredning; imidlertid, de var stadig begrænset til at operere langt væk fra kvantestyret.

"Vi har opgraderet vores eksperiment og kan nu ikke kun fjerne mere baggrundsgas, men også for at sende flere fotoner til afkøling, "siger Delic. På den måde, glasperlens bevægelse kan afkøles lige ind i kvanteordningen. "Det er sjovt at tænke på dette:Overfladen på vores glasperle er ekstremt varm, omkring 300 grader Celsius, fordi laseren opvarmer elektronerne i materialet. Men bevægelsen af ​​partiklens massecenter er ultrakold, omkring 0,00001 grader Celsius væk fra det absolutte nul, og vi kan vise, at den varme partikel bevæger sig på en kvante måde. "

Forskerne er begejstrede for udsigterne til deres arbejde. Kvantebevægelsen af ​​faste stoffer er også blevet undersøgt af andre grupper over hele verden, sammen med Wien -holdet. Så langt, eksperimentelle systemer bestod af nano- og mikromekaniske resonatorer- i det væsentlige tromler eller dykkerbrætter, der er fastspændt til en stiv understøtningsstruktur. "Optisk levitation giver meget mere frihed:Ved at ændre den optiske fælde - eller endda slukke den - kan vi manipulere nanopartikelbevægelsen på helt nye måder, "siger Nikolai Kiesel, medforfatter og adjunkt ved universitetet i Wien.

Flere ordninger i denne retning er blevet foreslået, blandt andre af de østrigske fysikere Oriol Romero-Isart og Peter Zoller i Innsbruck, og kan nu blive muligt. For eksempel, i kombination med den nyligt opnåede bevægelige grundtilstand forventer forfatterne, at dette åbner nye muligheder for hidtil uset sanseydelse, undersøgelse af grundlæggende processer for varmemotorer i kvantestyret, samt undersøgelse af kvantefænomener, der involverer store masser. "For ti år siden, vi startede dette eksperiment motiveret af udsigten til en ny kategori af kvanteeksperimenter. Vi har endelig åbnet døren til dette regime. "