Fysikere bringer genstande af menneskelig skala næsten stille, når en kvantetilstand

For det menneskelige øje, de fleste stationære objekter ser ud til at være netop det - stadig, og helt i ro. Men hvis vi fik en kvanteobjektiv, giver os mulighed for at se objekter i omfang af individuelle atomer, hvad der var et æble, der sad ledigt på vores skrivebord, ville fremstå som en vrimlende samling af vibrerende partikler, meget i bevægelse.

I de sidste årtier har fysikere har fundet måder at superkøle genstande, så deres atomer er næsten stille, eller i deres "bevægelige grundtilstand". Til dato, fysikere har kæmpet små genstande som skyer med millioner af atomer, eller objekter i nanogramskala i sådanne rene kvantetilstande.

Nu for første gang, forskere ved MIT og andre steder har afkølet en stor, objekt i menneskelig skala for at lukke sin bevægelige grundtilstand. Objektet er ikke håndgribeligt i den forstand at være placeret ét sted, men er den kombinerede bevægelse af fire separate objekter, hver vejer cirka 40 kilo. "Objektet", som forskerne afkølede, har en anslået masse på omkring 10 kilo, og omfatter omkring 1x10 ²⁶ , eller næsten 1 oktillion, atomer.

Forskerne udnyttede Laser Interfrometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) evne til at måle massernes bevægelse med ekstrem præcision og superkøle massernes kollektive bevægelse til 77 nanokelvin, bare genert for objektets forudsagte grundtilstand på 10 nanokelvin.

Deres resultater, optræder i dag i Videnskab , repræsenterer det største objekt, der skal afkøles til tæt på dens bevægelige jordtilstand. Forskerne siger, at de nu har en chance for at observere tyngdekraftens virkning på et massivt kvanteobjekt.

"Ingen har nogensinde observeret, hvordan tyngdekraften virker på massive kvantetilstande, "siger Vivishek Sudhir, adjunkt i maskinteknik på MIT, der ledede projektet. "Vi har demonstreret, hvordan man forbereder kilogram-objekter i kvantetilstande. Dette åbner endelig døren til en eksperimentel undersøgelse af, hvordan tyngdekraften kan påvirke store kvanteobjekter, noget hidtil kun drømt om. "

Undersøgelsens forfattere er medlemmer af LIGO Laboratory, og inkluderer hovedforfatter og kandidatstuderende Chris Whittle, postdoc Evan Hall, forsker Sheila Dwyer, Dekan for School of Science and the Curtis og Kathleen Marble Professor i astrofysik Nergis Mavalvala, og adjunkt i maskinteknik Vivishek Sudhir.

Præcision pushback

Alle objekter legemliggør en slags bevægelse som et resultat af de mange interaktioner, atomer har, med hinanden og fra ydre påvirkninger. Al denne tilfældige bevægelse afspejles i et objekts temperatur. Når et objekt afkøles tæt på nul temperatur, den har stadig en resterende kvantebevægelse, en tilstand kaldet "bevægelsesgrundstaten".

For at stoppe et objekt i dets spor, man kan udøve en lige og modsat kraft på den. (Tænk på at stoppe en baseball midt i flyvningen med din handskes kraft.) Hvis forskere præcist kan måle størrelsen og retningen af ​​et atoms bevægelser, de kan anvende modvirkningskræfter for at sænke dens temperatur - en teknik kendt som feedback -køling.

Fysikere har anvendt feedbackkøling på forskellige måder, herunder laserlys, at bringe individuelle atomer og ultralette objekter til deres kvante jordtilstande, og har forsøgt at super-cool gradvist større objekter, at studere kvanteeffekter i større, traditionelt klassiske systemer.

"Det faktum, at noget har temperatur, afspejler ideen om, at det interagerer med ting omkring det, "Siger Sudhir." Og det er sværere at isolere større objekter fra alle de ting, der sker omkring dem. "

At afkøle atomerne i en stor genstand til nær jordtilstand, man skulle først måle deres bevægelse med ekstrem præcision, at kende graden af ​​pushback, der kræves for at stoppe denne bevægelse. Få instrumenter i verden kan nå en sådan præcision. LIGO, som det sker, kan.

Gravitationsbølgedetekterende observatorium omfatter to interferometre på separate amerikanske steder. Hvert interferometer har to lange tunneler forbundet i en L-form, og strækker sig 4 kilometer i begge retninger. I hver ende af hver tunnel er et spejl på 40 kilo ophængt af tynde fibre, der svinger som et pendul som reaktion på enhver forstyrrelse, såsom en indkommende gravitationsbølge. En laser ved tunnelernes forbindelse er delt og sendt ned i hver tunnel, reflekterede derefter tilbage til dens kilde. Tidspunktet for returlaserne fortæller forskerne præcist, hvor meget hvert spejl bevægede sig, til en nøjagtighed på 1/10, 000 bredden på en proton.

Sudhir og hans kolleger spekulerede på, om de kunne bruge LIGOs bevægelsesmålepræcision til først at måle bevægelsen af ​​store, objekter i menneskelig skala, anvend derefter en modvirkningskraft, modsat hvad de måler, at bringe genstandene til deres grundtilstand.

Agerer tilbage på back-action

Objektet, de havde til formål at afkøle, er ikke et individuelt spejl, men derimod den kombinerede bevægelse af alle fire af LIGO's spejle.

"LIGO er designet til at måle den fælles bevægelse af de fire 40 kilo spejle, "Sudhir forklarer." Det viser sig, at du kan kortlægge disse massers fælles bevægelse matematisk, og tænk på dem som bevægelsen af ​​et enkelt objekt på 10 kilo. "

Når man måler bevægelse af atomer og andre kvanteeffekter, Sudhir siger, selve målingen kan tilfældigt sparke spejlet og sætte det i gang-en kvanteeffekt kaldet "måling af tilbagevirkning". Når enkelte fotoner af en laser hopper ud af et spejl for at indsamle oplysninger om dens bevægelse, fotonens momentum skubber tilbage på spejlet. Sudhir og hans kolleger indså, at hvis spejlene måles kontinuerligt, som de er i LIGO, den tilfældige rekyl fra tidligere fotoner kan observeres i de oplysninger, der bæres af senere fotoner.

Bevæbnet med en komplet oversigt over både kvante- og klassiske forstyrrelser på hvert spejl, forskerne anvendte en lige og modsat kraft med elektromagneter fastgjort på bagsiden af ​​hvert spejl. Effekten trak den kollektive bevægelse til næsten stilstand, efterlader spejlene med så lidt energi, at de ikke bevægede sig mere end 10 ^-20 meter, mindre end en tusindedel af en protons størrelse.

Teamet sidestilte derefter objektets resterende energi, eller bevægelse, med temperatur, og fandt objektet sad ved 77 nanokelvin, meget tæt på dens bevægelige grundtilstand, som de forudser at være 10 nanokelvin.

"Dette kan sammenlignes med den temperatur, atomfysikere køler deres atomer for at komme til deres grundtilstand, og det er med en lille sky på måske en million atomer, vejning af pikogrammer, "Siger Sudhir." Så, det er bemærkelsesværdigt, at du kan afkøle noget så meget tungere, til samme temperatur. "

"At forberede noget i grundtilstanden er ofte det første skridt til at sætte det i spændende eller eksotiske kvantetilstande, "Whittle siger." Så dette arbejde er spændende, fordi det måske lader os studere nogle af disse andre stater, i en masseskala, der aldrig er blevet gjort før. "