Optisk levitation af glas nanosfære muliggør kvantekontrol

Forskere ved ETH Zürich har fanget en lille kugle, der måler hundrede nanometer, ved hjælp af laserlys og bremset dens bevægelse til den laveste kvantemekaniske tilstand. Denne teknik kan hjælpe forskere med at studere kvanteeffekter i makroskopiske objekter og bygge ekstremt følsomme sensorer.

Hvorfor kan atomer eller elementarpartikler opføre sig som bølger ifølge kvantefysikken, som giver dem mulighed for at være flere steder på samme tid? Og hvorfor adlyder alt, hvad vi ser omkring os, åbenbart den klassiske fysiks love, hvor et sådant fænomen er umuligt? I de seneste år, forskere har lokket større og større objekter til at opføre sig kvantemekanisk. En konsekvens af dette er, at når man passerer gennem en dobbelt spalte, disse objekter danner et interferensmønster, der er karakteristisk for bølger.

Indtil nu, dette kunne opnås med molekyler bestående af et par tusinde atomer. Imidlertid, fysikere håber en dag at kunne observere sådanne kvanteeffekter med korrekt makroskopiske objekter. Lukas Novotny, professor i fotonik, og hans samarbejdspartnere ved Institut for Informationsteknologi og Elektroteknik ved ETH Zürich har nu taget et afgørende skridt i den retning. Deres resultater blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur .

Svævende nanosfære

Det makroskopiske objekt i Novotnys laboratorium er en lillebitte kugle lavet af glas. Selvom det kun er hundrede nanometer i diameter, den består af så mange som 10 millioner atomer. Ved hjælp af en stramt fokuseret laserstråle, kuglen er lavet til at svæve i en optisk fælde inde i en vakuumbeholder, der er kølet ned til 269 grader under nul. Jo lavere temperatur, jo mindre er den termiske bevægelse.

"Imidlertid, for tydeligt at se kvanteeffekter skal nanosfæren bremses endnu mere, hele vejen til dens bevægelige grundtilstand, " forklarer Felix Tebbenjohanns, en postdoc i Novotnys laboratorium. Kuglens svingninger, og dermed dens bevægelsesenergi, reduceres til det punkt, hvor den kvantemekaniske usikkerhedsrelation forbyder en yderligere reduktion. "Det betyder, at vi fryser kuglens bevægelsesenergi til et minimum, der er tæt på den kvantemekaniske nulpunktsbevægelse, " siger Tebbenjohanns.

Måler og bremser

For at opnå dette, forskerne bruger en metode, der er velkendt fra at bremse en legepladsgynge:lige den rigtige mængde skub eller træk i den rigtige retning, afhængig af hvor gyngen tilfældigvis er. Med en gynge, tage et godt kig og handle i overensstemmelse hermed vil gøre det trick. I tilfælde af en nanosfære, imidlertid, en mere præcis måling er påkrævet. Denne måling består i at overlejre lyset, der reflekteres af kuglen, på en anden laserstråle, hvilket resulterer i et interferensmønster. Ud fra positionen af ​​dette interferensmønster er det muligt at udlede, hvor kuglen er placeret inde i laserfælden. Den information, på tur, bruges til at beregne, hvor kraftigt kuglen skal skubbes eller trækkes for at bremse den. Selve opbremsningen udføres af to elektroder, hvis elektriske felt udøver en præcis bestemt Coulomb-kraft på den elektrisk ladede nanosfære.

Første kvantekontrol i fri plads

"Dette er første gang, at en sådan metode er blevet brugt til at kontrollere kvantetilstanden af ​​et makroskopisk objekt i frit rum, " siger Novotny. Selvom lignende resultater er opnået med kugler i optiske resonatorer, Novotnys tilgang har vigtige fordele:den er mindre modtagelig for forstyrrelser, og ved at slukke for laserlyset kan man, hvis nødvendigt, undersøge sfæren fuldstændig isoleret.

En sådan isoleret undersøgelse bliver særlig relevant, når man forsøger at udføre interferenseksperimenter, som dem der observeres med lysbølger, med nanosfæren. Dette skyldes, at for at se interferenseffekter, kuglens kvantemekaniske bølge skal være tilstrækkelig stor. En måde at opnå dette på er at slukke for laserfælden efter afkøling af kuglen til dens bevægelige jordtilstand, som tillader dens kvantebølge at udvide sig frit. Forskellige dele af bølgen kan derefter falde gennem en dobbelt spalte. Ligesom med molekyler, også i dette tilfælde forventes superpositionen af ​​stofbølgerne at resultere i et karakteristisk interferensmønster.

Mulige anvendelser i sensorer

"For nu, imidlertid, det er bare en drøm, "Novotny advarer. Alligevel, han nævner også, at svævende nanosfærer ikke kun er af interesse for grundforskning, men kan også have praktiske anvendelser. I dag findes der allerede sensorer, der kan måle de mindste accelerationer eller rotationer ved at bruge forstyrrende atombølger. Når følsomheden af ​​sådanne sensorer stiger med stigende masse af det kvantemekanisk interfererende objekt, sensorerne kunne forbedres enormt med nanosfærer.