Нобелова награда за оптични пинсети Разкрива нови улики за това как работи Вселената

Човек би си помислил, че оптичният пинцет - фокусиран лазерен лъч, който може да улавя малки частици - вече е стара шапка. В края на краищата, пинцетът е изобретен от Артър Ашкин през 1970 година. И той получи Нобелова 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 субатомни частици.

Тази теория доведе до някои странни и противоречиви заключения. Една от тях е, че квантовата механика позволява един обект да съществува в две различни състояния на реалността едновременно. Например, квантовата физика позволява на тялото да бъде на две различни места в пространството едновременно - или едновременно мъртви и живи, както в известния мисловен експеримент на котката на Шрьодингер.

Техническото име за това явление е суперпозиция. Наблюдавани са суперпозиции за малки обекти като единични атоми. Но ясно е, че никога не виждаме суперпозиция в ежедневието си. Например, не виждаме чаша кафе на две места едновременно.

За да обяснят това наблюдение, теоретичните физици са предположили, че за големи обекти - дори и за наночастици, съдържащи около един милиард атоми - суперпозициите бързо се срутват към една или друга от двете възможности, поради разбиването на стандартната квантова механика. При по-големи обекти скоростта на срутване е по-бърза. За котката на Шрьодингер този срив - „жив” или „мъртъв” - би бил практически мигновен, обяснявайки защо никога не виждаме суперпозицията на котката да бъде в две състояния едновременно.

Доскоро тези "теории за колапс", които изискват модификации на квантовата механика на учебника, не могат 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 с атомите или субатомните частици - което води до изтичане на топлина, която разрушава квантовите състояния.

Като физици, ние се интересуваме от теориите за колапса, 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. Връзката между квантовата физика и гравитацията би била вълнуваща, тъй като цялата физика се основава на тези две теории и тяхното единно описание - така наречената Теория на всичко - е една от големите цели на съвременната наука.

Влезте в оптичния пинцет

Оптичните пинсети използват факта, че светлината може да окаже натиск върху материята. Въпреки че радиационното налягане дори от интензивен лазерен лъч е съвсем малко, Ашкин е първият човек, който показва, че е достатъчно голям, за да поддържа наночастица, противодействаща на гравитацията, ефективно левитираща.

През 2010 г. група изследователи осъзнаха, че такава наночастица, държана от оптичен пинцет, е добре изолирана от околната среда, тъй като не е била в контакт с никаква материална подкрепа. Следвайки тези идеи, няколко групи предложиха начини за създаване и наблюдение на суперпозиции на наночастици в две различни пространствени местоположения.

Интригуваща схема, предложена от групите Tongcang Li и Lu Ming Duan през 2013 г., включва кристал на нанодиамант в пинцет. Наночастицата не стои неподвижно в пинсета. Тя по-скоро осцилира 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 разглежда като малък магнит, със северен (N) полюс и южен (S) полюс.

Стратегията на Ли-Дуан се състои от три стъпки. Първо, те предлагат охлаждане на движението на наночастицата до нейното квантово основно състояние. Това е най-ниското енергийно състояние на този тип частици. Можем да очакваме, че в това състояние частицата спира да се движи и изобщо не осцилира. Обаче, ако това се случи, ще знаем къде е била частицата (в центъра на пинцета), както и колко бързо се движи (изобщо не). Но едновременното съвършено познаване както на позицията, така и на скоростта, не е позволено от известния принцип на квантовата физика на Хайзенберг. Така, дори в най-ниското си енергийно състояние, частицата се движи малко по-малко, достатъчно, за да задоволи законите на квантовата механика.

Второ, схемата Li и Duan изискваше магнитният азотен атом да бъде подготвен в суперпозиция на северния му полюс, насочен нагоре и надолу.

Накрая е необходимо магнитно поле, което да свърже азотния атом с движението на левитирания диамантен кристал. Това ще прехвърли магнитната суперпозиция на атома към локализационната суперпозиция на нанокристала. Този трансфер се дава от факта, че атомът и наночастицата се заплитат в магнитното поле. Това се случва по същия начин, по който суперпозицията на разложената и неразгъната радиоактивна проба се превръща в суперпозиция на котката на Шрьодингер в мъртви и живи състояния.

Доказване на теорията за колапса

Това, което даде на тези теоретични работни зъби, бяха две вълнуващи експериментални разработки. Още през 2012 г. групите на Лукас Новотни и Ромен Куиндант показаха, че е възможно да се охлади оптично левитираната наночастица до стотина градуса над абсолютната нула - най-ниската теоретично възможна температура - чрез модулиране на интензивността на оптичния пинцет. Ефектът беше същият като този на забавяне на детето на люлка чрез натискане в правилното време.

През 2016 г. същите изследователи успяха да се охладят до десет хилядна степен над абсолютната нула. Около това време нашите групи публикуват статия, в която се установява, че температурата, необходима за достигане на квантово състояние на наночастица с пинцети, е около една милионна от градуса над абсолютната нула. Това изискване е предизвикателство, но в рамките на досегашните експерименти.

Втората вълнуваща разработка беше експерименталната левитация на нанодиамант, носещ азотен дефект, през 2014 г. в групата на Ник Вавивакас. Използвайки магнитно поле, те също са в състояние да постигнат физическото свързване на азотния атом и кристалното движение, което се изисква от третата стъпка на схемата Li-Duan.

Сега състезанието трябва да достигне първоначалното състояние, така че според плана на Ли-Дуан може да се наблюдава обект на две места, който се срутва в едно цяло. Ако суперпозициите бъдат унищожени със скоростта, предсказана от теориите за колапса, квантовата механика, както знаем, ще трябва да бъде ревизирана.

Тази статия първоначално е била публикувана на The Conversation от Mishkat Bhattacharya и Nick Vamivakas. Прочетете оригиналната статия тук.