Човек може да си помисли, че оптичната пинсета - фокусиран лазерен лъч, който може да улавя малки частици - вече е стара шапка. В крайна сметка пинсетът е изобретен от Артур Ашкин през 1970 г. И той получи Нобеловата награда за нея тази година - вероятно след като основните му последици бяха реализирани през последния половин век.
Удивително е, че това далеч не е вярно. Оптичният пинцет разкрива нови възможности, като същевременно помага на учените да разберат квантовата механика, теорията, която обяснява природата по отношение на субатомните частици.
Тази теория доведе до някои странни и противодействащи заключения. Едно от тях е, че квантовата механика позволява един единствен обект да съществува в две различни състояния на реалността едновременно. Например, квантовата физика позволява едно тяло да бъде едновременно на две различни места в пространството - или мъртво, и живо, както в известния мисловен експеримент на котката на Шрьодингер.
Двете състояния на котката на Шрьодингер: мъртва (отляво) и жива (вдясно). Квантовата физика казва, че котката може да съществува и в двете състояния едновременно. (Rhoeo / Shutterstock.com) Техническото име за това явление е суперпозиция. Наблюдават се суперпозиции за малки обекти като единични атоми. Но ясно, ние никога не виждаме суперпозиция в ежедневието си. Например, не виждаме чаша кафе на две места едновременно.
За да обяснят това наблюдение, теоретичните физици предполагат, че за големи обекти - дори за наночастици, съдържащи около милиард атоми - суперпозициите се сриват бързо до едната или другата от двете възможности, поради разбивка на стандартната квантова механика. При по-големите обекти скоростта на срутване е по-бърза. За котката на Шрьодингер този срив - до „жив“ или „мъртъв“ - би бил практически моментален, обяснявайки защо никога не виждаме суперпозицията на котка да е в две състояния наведнъж.
Доскоро тези „теории за срив“, които биха изисквали модификации на квантовата механика на учебника, не можеха да бъдат тествани, тъй като е трудно да се подготви голям обект в суперпозиция. Това е така, защото по-големите обекти взаимодействат повече със заобикалящата ги среда, отколкото атомите или субатомните частици - което води до изтичане на топлина, която разрушава квантовите състояния.
Като физици се интересуваме от теории за срив, защото бихме искали да разберем по-добре квантовата физика и по-специално, защото има теоретични индикации, че сривът може да се дължи на гравитационните ефекти. Връзка между квантовата физика и гравитацията би било вълнуващо да се намери, тъй като цялата физика се опира на тези две теории, а тяхното унифицирано описание - така наречената Теория на всичко - е една от големите цели на съвременната наука.
Въведете оптичната пинсета
Оптичните пинсети използват факта, че светлината може да упражнява натиск върху материята. Въпреки че радиационното налягане от дори интензивен лазерен лъч е доста малко, Ашкин е първият човек, който показа, че е достатъчно голям, за да поддържа наночастица, противодействайки на гравитацията, ефективно го левитизира.
През 2010 г. група изследователи разбраха, че такава наночастица, държана от оптичен пинсет, е добре изолирана от средата й, тъй като не е в контакт с материална подкрепа. Следвайки тези идеи, няколко групи предложиха начини за създаване и наблюдение на суперпозиции на наночастица на две отделни пространствени места.
Интригуваща схема, предложена от групите на Tongcang Li и Lu Ming Duan през 2013 г., включва нанодиамантен кристал в пинсета. Наночастицата не седи неподвижно в пинсетата. По-скоро се колебае като махало между две места, като възстановяващата сила идва от радиационното налягане, дължащо се на лазера. Освен това този диамантен нанокристал съдържа замърсяващ азотен атом, който може да се мисли като мъничък магнит, със северен (N) полюс и южен (S) полюс.
Стратегията Ли-Дуан се състоеше от три стъпки. Първо, те предложиха охлаждане на движението на наночастицата до нейното квантово основно състояние. Това е най-ниското енергийно състояние, което този тип частици може да има. Може да очакваме, че в това състояние частицата спира да се движи наоколо и изобщо не се колебае. Ако обаче това се случи, щяхме да знаем къде е частицата (в центъра на пинсета), както и колко бързо се движеше (изобщо не). Но едновременното перфектно познаване както на позицията, така и на скоростта не е позволено от известния принцип на несигурността на Хайзенберг в квантовата физика. По този начин, дори в най-ниското си енергийно състояние, частицата се движи малко наоколо, достатъчно, за да задоволи законите на квантовата механика.
Второ, схемата Ли и Дуан изискваше магнитният азотен атом да бъде подготвен в суперпозиция на северния му полюс, насочен нагоре, както и надолу.
Накрая е необходимо магнитно поле за свързване на азотния атом с движението на левитирания кристал от диамант. Това би прехвърлило магнитното суперпозиция на атома в локалната суперпозиция на нанокристала. Този трансфер се активира от факта, че атомът и наночастицата са оплетени от магнитното поле. Получава се по същия начин, когато суперпозицията на разложената и не разградена радиоактивна проба се преобразува в суперпозицията на котката на Schrodinger в мъртви и живи състояния.
Доказване на теорията за срива
Свиване на суперпозицията на едно място. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) Това, което даде на тази теоретична работа зъби, бяха две вълнуващи експериментални разработки. Още през 2012 г. групите на Лукас Новотни и Ромен Куидант показаха, че е възможно охлаждането на оптично левитирана наночастица до стотна от градус над абсолютната нула - теоретично най-ниската температура - чрез модулиране на интензивността на оптичния пинчер. Ефектът беше същият като този на забавяне на дете на люлка чрез натискане в правилните моменти.
През 2016 г. същите изследователи успяха да се охладят до десет хилядна степен над абсолютната нула. Около това време нашите групи публикуваха документ, в който се установява, че температурата, необходима за достигане на квантовото основно състояние на туитна наночастица, е около милионна степен над абсолютната нула. Това изискване е предизвикателно, но в рамките на текущи експерименти.
Второто вълнуващо развитие беше експерименталната левитация на азот-дефектния нанодиамант през 2014 г. в групата на Ник Вамивакас. Използвайки магнитно поле, те също успяха да постигнат физическото свързване на азотния атом и движението на кристала, изисквано от третия етап на схемата Ли-Дуан.
Сега надпреварата ще достигне основното състояние, така че - според плана Ли-Дуан - обект на две места може да бъде наблюдаван срутване в едно цяло. Ако суперпозициите са унищожени със скоростта, предвидена от теориите за срив, квантовата механика, както знаем, ще трябва да бъде преразгледана.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Мишкат Бхатачария, доцент в Астрономическото училище, Техническия институт в Рочестър и Ник Вамивакас, доцент по квантова оптика и квантова физика, Университет в Рочестър
