Premiul pentru Premiul Nobel Pensetele optice descoperă noi indicii despre modul în care funcționează Universul

S-ar putea crede că penseta optică - un fascicul laser concentrat care poate prinde particule mici - este pălăria veche până acum. Până la urmă, penseta a fost inventată de Arthur Ashkin în 1970. Și el a primit Premiul Nobel pentru el în acest an - probabil după ce implicațiile sale principale au fost realizate în ultima jumătate de secol.

Uimitor, acest lucru este departe de adevărat. Penseta optică dezvăluie noi capacități ajutând în același timp oamenii de știință să înțeleagă mecanica cuantică, teoria care explică natura în termeni de particule subatomice.

Această teorie a dus la unele concluzii ciudate și contraintuitive. Una dintre ele este că mecanica cuantică permite ca un singur obiect să existe în două stări diferite ale realității în același timp. De exemplu, fizica cuantică permite unui corp să se afle în două locuri diferite în spațiu simultan - sau atât morți, cât și vii, ca și în celebra experiență de gândire a pisicii lui Schrödinger.

Denumirea tehnică a acestui fenomen este superpoziția. Supravegherile au fost observate pentru obiecte mici precum atomii unici. Dar, în mod clar, nu vedem niciodată o suprapunere în viața noastră de zi cu zi. De exemplu, nu vedem o ceașcă de cafea în două locații în același timp.

Pentru a explica această observație, fizicienii teoreticieni au sugerat că pentru obiecte mari - chiar și pentru nanoparticule care conțin aproximativ un miliard de atomi - suprapunerile se prăbușesc rapid la una sau la cealaltă dintre cele două posibilități, datorită unei defalcări a mecanicii cuantice standard. Pentru obiectele mai mari, rata de colaps este mai rapidă. Pentru pisica lui Schrodinger, acest colaps - "viu" sau "mort" - ar fi practic instantaneu, explicând de ce nu vedem niciodată suprapunerea unei pisici fiind în două stări simultan.

Până de curând, aceste "teorii de colaps", care ar necesita modificări ale mecanicii cuantice a manualelor, nu au putut fi testate, deoarece este dificil să se pregătească un obiect mare într-o suprapunere. Acest lucru se datorează faptului că obiectele mai mari interacționează mai mult cu împrejurimile lor decât atomii sau particulele subatomice - ceea ce duce la scurgerile de căldură care distrug stările cuantice.

În calitate de fizicieni, suntem interesați de teoriile de colaps pentru că am vrea să înțelegem mai bine fizica cuantică și mai ales pentru că există indicații teoretice că prăbușirea ar putea fi cauzată de efectele gravitaționale. O legătură între fizica cuantică și gravitație ar fi interesantă pentru a descoperi că toată fizica se bazează pe aceste două teorii, iar descrierea lor unificată - așa-numita Teorie a Totului - este unul dintre marile scopuri ale științei moderne.

Introduceți penseta optică

Pensetele optice exploatează faptul că lumina poate exercita presiune asupra materiei. Deși presiunea de radiație chiar de la un fascicul laser intens este destul de mică, Ashkin a fost prima persoană care a arătat că a fost suficient de mare pentru a susține o nanoparticulă, contracarând gravitatea, efectiv levitând-o.

În 2010, un grup de cercetători a realizat că o astfel de nanoparticulă deținută de o pensetă optică a fost bine izolată de mediul său, deoarece nu era în contact cu niciun suport material. În urma acestor idei, mai multe grupuri au sugerat modalități de a crea și de a observa suprapozițiile unei nanoparticule în două locații spațiale distincte.

O schemă intrigantă propusă de grupurile Tongcang Li și Lu Ming Duan în 2013 a implicat un cristal nanodiamond într-o penseț. Nanoparticulele nu stau in interiorul penseii. Mai degrabă, acesta oscilează ca un pendul între două locații, cu forța de refacere care provine de la presiunea de radiație datorată laserului. Mai mult, acest nanocristal diamant conține un atom de azot contaminant, care poate fi considerat ca un magnet mic, cu un pol nord (N) și un pol de sud (S).

Strategia Li-Duan a constat în trei etape. În primul rând, au propus răcirea mișcării nanoparticulelor la starea lor de bază cuantică. Aceasta este cea mai mică stare de energie pe care acest tip de particule o poate avea. S-ar putea să ne așteptăm ca în această stare particula să se oprească și să nu oscileze deloc. Cu toate acestea, dacă s-ar întâmpla acest lucru, am știut unde era particula (în centrul penseii), cât de repede se mișca (deloc). Dar cunoașterea perfectă simultană atât a poziției cât și a vitezei nu este permisă de faimosul principiu de incertitudine al Heisenberg al fizicii cuantice. Astfel, chiar și în cea mai scăzută stare de energie, particula se mișcă în jurul valorii de puțin, suficient pentru a satisface legile mecanicii cuantice.

În al doilea rând, schema Li și Duan a cerut ca atomul de azot magnetic să fie pregătit într-o suprapunere a polului său nord orientat în sus și în jos.

În cele din urmă, un câmp magnetic a fost necesar pentru a lega atomul de azot la mișcarea cristalului de diamant levitat. Aceasta ar transfera suprapunerea magnetică a atomului la suprapunerea de localizare a nanocristalului. Acest transfer este permis de faptul că atomul și nanoparticulele sunt încurcate de câmpul magnetic. Aceasta se întâmplă în același mod în care suprapunerea probei radioactive dezinfectate și ne-decăzute se transformă în suprapunerea pisicii lui Schrodinger în stări moarte și vii.

Demonstrarea teoriei colapsului

Ceea ce a dat acest dinți teoretic de lucru au fost două evoluții experimentale interesante. Deja în 2012 grupurile lui Lukas Novotny și Romain Quidant au arătat că a fost posibil să se răcească o nanoparticulă levitată optic la o suta de grade deasupra absolutului zero - cea mai scăzută temperatură teoretic posibil - prin modularea intensității penseii optice. Efectul a fost același cu cel al încetinirii unui copil pe un leagăn prin împingerea la momentul potrivit.

În 2016 aceiași cercetători au reușit să se răcească la zece mii de grade peste zero absolută. În acest timp, grupurile noastre au publicat o lucrare care a stabilit că temperatura necesară atingerii stării cuantice a unei nanoparticule tweezed a fost de aproximativ o milionime de un grad deasupra absolutului zero. Această cerință este o provocare, dar este la îndemâna experimentelor în curs.

Cea de-a doua dezvoltare interesantă a fost levitația experimentală a nanodiamantului purtător de defecte de azot în 2014 în grupul lui Nick Vamivakas. Folosind un câmp magnetic, aceștia au reușit, de asemenea, să realizeze cuplarea fizică a atomului de azot și mișcarea cristalului cerută de a treia etapă a schemei Li-Duan.

Cursa se află acum în starea de bază, astfel încât - în conformitate cu planul Li-Duan - se poate observa un obiect în două locații care se prăbușește într-o singură entitate. Dacă superpozițiile sunt distruse la rata prezisă de teoriile de colaps, mecanica cuantică, după cum o știm, va trebui revizuită.

Acest articol a fost inițial publicat în The Conversation de Mishkat Bhattacharya și Nick Vamivakas. Citiți articolul original aici.