Forskere får nanopartikler til at danse for at optrevle kvantegrænser

Spørgsmålet om, hvor grænsen mellem klassisk og kvantefysik går, er en af ​​de længste bestræbelser inden for moderne videnskabelig forskning, og i ny forskning offentliggjort i dag demonstrerer videnskabsmænd en ny platform, der kunne hjælpe os med at finde et svar.

Kvantefysikkens love styrer partiklernes opførsel i minimale skalaer, hvilket fører til fænomener som kvantesammenfiltring, hvor egenskaberne af sammenfiltrede partikler bliver uløseligt forbundet på måder, der ikke kan forklares af klassisk fysik.

Forskning i kvantefysik hjælper os med at udfylde huller i vores viden om fysik og kan give os et mere komplet billede af virkeligheden, men de små skalaer, hvor kvantesystemer opererer, kan gøre dem svære at observere og studere.

I løbet af det sidste århundrede har fysikere med succes observeret kvantefænomener i stadig større objekter, hele vejen fra subatomære partikler som elektroner til molekyler, der indeholder tusindvis af atomer.

For nylig har feltet for leviteret optomekanik, som beskæftiger sig med styring af objekter i højmassemikronskala i vakuum, til formål at skubbe hylsteret yderligere ved at teste gyldigheden af ​​kvantefænomener i objekter, der er flere størrelsesordener tungere end atomer og molekyler. Men efterhånden som et objekts masse og størrelse øges, forsvinder de interaktioner, der resulterer i sarte kvantetræk, såsom sammenfiltring, til miljøet, hvilket resulterer i den klassiske adfærd, vi observerer.

Men nu har teamet ledet af Dr. Jayadev Vijayan, leder af Quantum Engineering Lab ved University of Manchester, sammen med forskere fra ETH Zürich og teoretikere fra University of Innsbruck etableret en ny tilgang til at overvinde dette problem i et eksperiment udført ved ETH Zürich, publiceret i tidsskriftet Nature Physics .

Dr. Vijayan sagde:"For at observere kvantefænomener i større skalaer og kaste lys over den klassisk-kvanteovergang, skal kvantetræk bevares i nærvær af støj fra omgivelserne. Som du kan forestille dig, er der to måder at gøre dette på.; den ene er at undertrykke støjen, og den anden er at booste kvantefunktionerne.

"Vores forskning viser en måde at tackle udfordringen på ved at tage den anden tilgang. Vi viser, at de interaktioner, der er nødvendige for sammenfiltring mellem to optisk fanget glaspartikler på 0,1 mikron, kan forstærkes i flere størrelsesordener for at overvinde tab til miljøet. "

Forskerne placerede partiklerne mellem to stærkt reflekterende spejle, som danner et optisk hulrum. På denne måde hopper fotonerne spredt af hver partikel mellem spejlene flere tusinde gange, før de forlader hulrummet, hvilket fører til en væsentlig større chance for at interagere med den anden partikel.

Johannes Piotrowski, co-leader af papiret fra ETH Zürich tilføjede:"Bemærkelsesværdigt, fordi de optiske interaktioner medieres af hulrummet, falder dets styrke ikke med afstanden, hvilket betyder, at vi kunne koble partikler i mikronskala over flere millimeter."

Forskerne demonstrerer også den bemærkelsesværdige evne til at finjustere eller kontrollere interaktionsstyrken ved at variere laserfrekvenserne og positionen af ​​partiklerne i hulrummet.

Resultaterne repræsenterer et betydeligt spring i retning af at forstå grundlæggende fysik, men lover også praktiske anvendelser, især inden for sensorteknologi, der kan bruges til miljøovervågning og offline navigation.

Dr. Carlos Gonzalez-Ballestero, en samarbejdspartner fra det tekniske universitet i Wien, sagde:"Nøglestyrken ved leviterede mekaniske sensorer er deres høje masse i forhold til andre kvantesystemer, der bruger sansning. Den høje masse gør dem velegnede til at detektere gravitationskræfter og accelerationer, hvilket resulterer i bedre følsomhed. Som sådan kan kvantesensorer bruges i mange forskellige applikationer inden for forskellige områder, såsom overvågning af polaris til klimaforskning og måling af accelerationer til navigationsformål."

Piotrowski tilføjede:"Det er spændende at arbejde på denne relativt nye platform og teste, hvor langt vi kan skubbe den ind i kvanteregimet."

Nu vil holdet af forskere kombinere de nye muligheder med veletablerede kvantekøleteknikker i et skridt hen imod at validere kvantesammenfiltring. Hvis det lykkes, kan opnåelse af sammenfiltring af leviterede nano- og mikropartikler indsnævre kløften mellem kvanteverdenen og hverdagens klassiske mekanik.

På Photon Science Institute og Department of Electrical and Electronic Engineering ved University of Manchester vil Dr. Jayadev Vijayans team fortsætte med at arbejde med leviteret optomekanik og udnytte interaktioner mellem flere nanopartikler til applikationer inden for kvantesansning.

Flere oplysninger: Kavitetsmedierede langdistanceinteraktioner i leviteret optomekanik, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02405-3. www.nature.com/articles/s41567-024-02405-3

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af University of Manchester