Nobelova cena Optická pinzeta odhaľuje nové stopy k tomu, ako funguje vesmír

Dalo by sa myslieť, že optická pinzeta - zaostrený laserový lúč, ktorý dokáže zachytiť malé častice - je už starý klobúk. Pinzeta bola vynájdená Arthurom Ashkinom v roku 1970. V tomto roku dostal Nobelovu cenu - pravdepodobne potom, čo sa jej hlavné dôsledky zrealizovali počas posledného polstoročia.

Je prekvapujúce, že to nie je ani zďaleka pravda. Optická pinzeta odhaľuje nové schopnosti a pomáha vedcom pochopiť kvantovú mechaniku, teóriu, ktorá vysvetľuje prírodu v zmysle subatomárnych častíc.

Táto teória viedla k určitým podivným a kontraintuitívnym záverom. Jedným z nich je, že kvantová mechanika umožňuje, aby jeden objekt existoval v dvoch rôznych stavoch reality súčasne. Napríklad kvantová fyzika umožňuje telu, aby sa na dvoch rôznych miestach v priestore súčasne - alebo ako mŕtve a živé, ako v slávnej myšlienkový experiment Schrödingerovej mačky.

Technický názov tohto javu je superpozícia. Superpozície boli pozorované u drobných predmetov, ako sú jednotlivé atómy. Ale v každodennom živote nikdy nevidíme superpozíciu. V dvoch miestach naraz napríklad neuvidíme šálku kávy.

Na vysvetlenie tohto pozorovania teoretickí fyzici navrhli, že pre veľké objekty - dokonca aj pre nanočastice obsahujúce približne miliardu atómov - sa substitúcie rýchlo zrútia na jednu alebo druhú z dvoch možností v dôsledku rozpadu štandardnej kvantovej mechaniky. Pre väčšie objekty je rýchlosť zrútenia rýchlejšia. Pre Schrodingerovu mačku by tento kolaps - „živý“ alebo „mŕtvy“ - bol prakticky okamžitý, vysvetľujúc, prečo nikdy nevidíme superpozíciu mačky v dvoch štátoch naraz.

Až donedávna tieto „teórie kolapsu“, ktoré by si vyžadovali modifikáciu učebnicovej kvantovej mechaniky, nemohli byť testované, pretože je ťažké pripraviť veľký objekt v superpozícii. Je to preto, že väčšie objekty viac zasahujú do svojho okolia ako atómy alebo subatomárne častice - čo vedie k únikom tepla, ktoré ničí kvantové stavy.

Ako fyzici nás zaujímajú teórie kolapsu, pretože by sme chceli lepšie porozumieť kvantovej fyzike, a to najmä preto, že existujú teoretické náznaky, že kolaps by mohol byť spôsobený gravitačnými účinkami. Spojenie medzi kvantovou fyzikou a gravitáciou by bolo vzrušujúce nájsť, pretože celá fyzika spočíva na týchto dvoch teóriách a ich jednotný opis - takzvaná teória všetkého - je jedným z veľkých cieľov modernej vedy.

Zadajte optickú pinzetu

Optické pinzety využívajú skutočnosť, že svetlo môže vyvíjať tlak na hmotu. Aj keď je radiačný tlak aj z intenzívneho laserového lúča dosť malý, Ashkin bol prvou osobou, ktorá dokázala, že je dostatočne veľká na to, aby podporila nanočasticu, pôsobiacu proti gravitácii, ktorá ju účinne levituje.

V roku 2010 si skupina výskumníkov uvedomila, že taká nanočastica, ktorú drží optická pinzeta, je dobre izolovaná od svojho prostredia, pretože nebola v kontakte s materiálnou podporou. Podľa týchto myšlienok niekoľko skupín navrhlo spôsoby, ako vytvoriť a pozorovať superpozície nanočastíc na dvoch odlišných priestorových miestach.

Zaujímavá schéma, ktorú navrhli skupiny Tongcang Li a Lu Ming Duan v roku 2013, sa týkala nanodiamondového kryštálu v pinzete. Nanočastice nesedia v pinzete. Namiesto toho osciluje ako kyvadlo medzi dvoma miestami, pričom obnovovacia sila vychádza z tlaku žiarenia spôsobeného laserom. Ďalej tento diamantový nanokryštál obsahuje kontaminujúci atóm dusíka, ktorý možno považovať za malý magnet so severným (N) pólom a južným (S) pólom.

Stratégia Li-Duan pozostávala z troch krokov. Po prvé, navrhli ochladenie pohybu nanočastíc na jeho kvantový základný stav. Toto je najnižší energetický stav, ktorý tento typ častíc môže mať. Môžeme očakávať, že v tomto stave sa častice prestanú pohybovať a neoscilujú vôbec. Ak by sa to však stalo, vedeli by sme, kde bola častica (v strede pinzety), ako rýchlo sa pohybovala (vôbec nie). Súčasné dokonalé poznanie polohy a rýchlosti však neumožňuje slávny Heisenbergov princíp neurčitosti kvantovej fyziky. Čiže aj v najnižšom energetickom stave sa častice pohybujú trošku, len tak, aby vyhovovali zákonom kvantovej mechaniky.

Po druhé, Li a Duanova schéma vyžadovali, aby sa magnetický atóm dusíka pripravoval v superpozícii svojho severného pólu smerujúceho nahor a nadol.

Nakoniec bolo potrebné magnetické pole na spojenie atómu dusíka s pohybom levitovaného diamantového kryštálu. To by prenieslo magnetickú superpozíciu atómu na miesto superpozície nanokryštálu. Tento prenos je umožnený skutočnosťou, že atóm a nanočastice sú zapletené magnetickým poľom. Vyskytuje sa tak, že superpozícia rozpadnutej a nerozpadnutej rádioaktívnej vzorky sa premieňa na superpozíciu Schrodingerovej mačky v mŕtvych a živých stavoch.

Dokázanie teórie kolapsu

Toto teoretické pracovné zuby boli dva vzrušujúce experimentálne vývojové tendencie. Už v roku 2012 skupiny Lukáša Novotného a Romaina Quidanta ukázali, že je možné ochladiť opticky levitovanú nanočasticu na stotinu stupňa nad absolútnu nulu - najnižšiu teoreticky možnú teplotu - modulovaním intenzity optickej pinzety. Účinok bol rovnaký ako účinok spomalenia dieťaťa na hojdačke stlačením správnych časov.

V roku 2016 boli tí istí výskumníci schopní vychladnúť na desaťtisíc stupňa nad absolútnu nulu. Okolo tohto času naše skupiny publikovali dokument, v ktorom sa uvádza, že teplota potrebná na dosiahnutie kvantového základného stavu tweezovanej nanočastice bola okolo milióntiny stupňa nad absolútnou nulou. Táto požiadavka je náročná, ale v dosahu prebiehajúcich experimentov.

Druhým vzrušujúcim vývojom bola experimentálna levitácia nanodiamondu nesúceho dusík v roku 2014 v skupine Nicka Vamivakasa. Pomocou magnetického poľa boli tiež schopné dosiahnuť fyzikálnu väzbu atómu dusíka a pohybu kryštálu požadovaného v treťom kroku schémy Li-Duan.

Závod je teraz na ceste k dosiahnutiu základného stavu tak, že - podľa plánu Li-Duan - môže byť objekt na dvoch miestach pozorovaný zrútením do jedného celku. Ak sú superpozície zničené rýchlosťou predpovedanou teóriou kolapsu, kvantová mechanika, ako ju poznáme, bude musieť byť revidovaná.

Tento článok bol pôvodne publikovaný na The Conversation od Mishkat Bhattacharya a Nick Vamivakas. Prečítajte si pôvodný článok.