Man kunne tro, at den optiske pincet - en fokuseret laserstråle, der kan fange små partikler - er en gammel hat på nuværende tidspunkt. Når alt kommer til alt blev pincetten opfundet af Arthur Ashkin i 1970. Og han modtog Nobelprisen for den i år - antagelig efter at dens vigtigste implikationer var blevet realiseret i det sidste halve århundrede.
Utroligt nok er dette langt fra sandt. Den optiske pincet afslører nye muligheder, mens den hjælper forskere med at forstå kvantemekanik, teorien, der forklarer naturen med hensyn til subatomære partikler.
Denne teori har ført til nogle underlige og modintuitive konklusioner. En af dem er, at kvantemekanik tillader et enkelt objekt at eksistere i to forskellige virkelighedstilstande på samme tid. F.eks. Tillader kvantefysik et legeme at være to forskellige steder i rummet samtidig - eller begge døde og levende, som i det berømte tankeeksperiment af Schrödingers kat.
De to stater af Schrodingers kat: død (til venstre) og i live (til højre). Kvantefysik siger, at katten kan eksistere i begge tilstande samtidig. (Rhoeo / Shutterstock.com) Det tekniske navn på dette fænomen er superposition. Der er observeret superpositioner for små genstande som enkeltatomer. Men klart, vi ser aldrig en superposition i vores hverdag. For eksempel ser vi ikke en kop kaffe på to steder på samme tid.
For at forklare denne observation har teoretiske fysikere antydet, at for store genstande - selv for nanopartikler, der indeholder omkring en milliard atomer - superpositioner hurtigt kollapser til den ene eller den anden af de to muligheder på grund af en opdeling af standard kvantemekanik. For større objekter er kollapsfrekvensen hurtigere. For Schrodingers kat ville dette kollaps - til “levende” eller “død” - være praktisk øjeblikkeligt, hvilket forklarer, hvorfor vi aldrig ser superpositionen af en kat være i to tilstande på én gang.
Indtil for nylig kunne disse "sammenbrudsteorier", som ville kræve ændringer af kvantemekanikken i lærebogen, ikke testes, da det er vanskeligt at forberede et stort objekt i en superposition. Dette skyldes, at større objekter interagerer mere med deres omgivelser end atomer eller subatomære partikler - hvilket fører til lækager i varme, der ødelægger kvantetilstander.
Som fysikere er vi interesseret i sammenbrudsteorier, fordi vi gerne vil forstå kvantefysik bedre, og specifikt fordi der er teoretiske indikationer på, at sammenbruddet kan skyldes gravitationseffekter. En forbindelse mellem kvantefysik og tyngdekraft ville være spændende at finde, da al fysik hviler på disse to teorier, og deres samlede beskrivelse - den såkaldte teori om alting - er et af de store mål for moderne videnskab.
Gå ind i den optiske pincet
Optisk pincet udnytter det faktum, at lys kan udøve pres på materien. Selvom strålingstrykket fra endda en intens laserstråle er ret lille, var Ashkin den første person, der viste, at den var stor nok til at understøtte en nanopartikel, modvirke tyngdekraften, effektivt opløftende den.
I 2010 indså en gruppe forskere, at en sådan nanopartikel indeholdt i en optisk pincet var godt isoleret fra sit miljø, da den ikke var i kontakt med nogen materiel støtte. Efter disse ideer foreslog flere grupper måder at skabe og observere superpositioner af en nanopartikel på to forskellige rumlige placeringer.
Et spændende skema foreslået af grupperne Tongcang Li og Lu Ming Duan i 2013 involverede en nanodiamondkrystall i en pincet. Nanopartiklen sidder ikke stille inden i pincetten. Snarere oscillerer det som en pendul mellem to steder, hvor gendannelseskraften kommer fra strålingstrykket på grund af laseren. Yderligere indeholder denne diamant nanokrystall et forurenende nitrogenatom, som kan betragtes som en lille magnet med en nordpol (N) og en sydpol (S).
Li-Duan-strategien bestod af tre trin. Først foreslog de at afkøle nanopartiklens bevægelse til dens kvante jordtilstand. Dette er den laveste energitilstand, som denne type partikel kan have. Vi kan forvente, at partiklen i denne tilstand holder op med at bevæge sig rundt og ikke svinger overhovedet. Men hvis dette skete, ville vi vide, hvor partiklen var (i midten af pincetten), samt hvor hurtigt den bevægede sig (slet ikke). Men samtidig perfekt viden om både position og hastighed tillades ikke af det berømte Heisenberg-usikkerhedsprincip for kvantefysik. Selv i sin laveste energitilstand bevæger partiklen sig således lidt rundt, lige nok til at tilfredsstille kvantemekanikkens love.
For det andet krævede Li og Duan-ordningen, at det magnetiske nitrogenatom blev forberedt i en superposition af dens nordpol, der peger op såvel som nedad.
Endelig var et magnetfelt nødvendigt for at forbinde nitrogenatomet med bevægelsen af den leviterede diamantkrystall. Dette ville overføre atomets magnetiske superposition til lokaliseringssuperpositionen af nanokrystallen. Denne overførsel aktiveres af det faktum, at atomet og nanopartiklen er sammenfiltret af magnetfeltet. Det forekommer på samme måde som superpositionen af den forfaldne og ikke-forfaldne radioaktive prøve omdannes til superpositionen af Schrodingers kat i døde og levende tilstande.
Beviser sammenbrudsteorien
Skjul superpositionen til et enkelt sted. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) Det, der gav denne teoretiske arbejdstænder, var to spændende eksperimentelle udviklinger. Allerede i 2012 viste grupperne af Lukas Novotny og Romain Quidant, at det var muligt at afkøle en optisk leviteret nanopartikel til en hundrededel af en grad over absolut nul - den laveste temperatur teoretisk muligt - ved at modulere intensiteten af den optiske pincet. Effekten var den samme som at nedsætte et barn på en sving ved at skubbe til de rigtige tidspunkter.
I 2016 kunne de samme forskere køle sig ned til en ti tusindedel af en grad over absolut nul. Omkring denne tid offentliggjorde vores grupper et dokument, hvori det blev konstateret, at temperaturen, der kræves for at nå den kvante jordtilstand for en tweezet nanopartikel, var omkring en milliondel af en grad over absolut nul. Dette krav er udfordrende, men inden for rækkevidde af igangværende eksperimenter.
Den anden spændende udvikling var den eksperimentelle levitation af en nitrogen-defekt-bærende nanodiamond i 2014 i Nick Vamivakas gruppe. Ved hjælp af et magnetfelt var de også i stand til at opnå den fysiske kobling af nitrogenatomet og krystalbevægelsen krævet af det tredje trin i Li-Duan-skemaet.
Løbet er nu ved at nå jordtilstanden, således at - ifølge Li-Duan-planen - kan observeres et objekt på to steder, der kollapser i en enkelt enhed. Hvis superpositionerne ødelægges med den hastighed, der er forudsagt af sammenbrudsteorierne, skal kvantemekanikken, som vi kender, revideres.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Mishkat Bhattacharya, lektor i School of Astronomy, Rochester Institute of Technology og Nick Vamivakas, lektor i Quantum Optics & Quantum Physics, University of Rochester
