Нобелівська премія Optical Tweezer розкриває нові підказки, як працює Всесвіт

Можна подумати, що оптичний пінцет - сфокусований лазерний промінь, який може уловлювати дрібні частинки, - це стара капелюх. Зрештою, пінцет був винайдений Артуром Ашкіном в 1970 році. І він отримав Нобелівську премію за цей рік - мабуть, після того, як його основні наслідки були реалізовані протягом останнього півстоліття.

Дивно, але це далеко не так. Оптичний пінцет відкриває нові можливості, допомагаючи вченим зрозуміти квантову механіку, теорію, яка пояснює природу з точки зору субатомних частинок.

Ця теорія призвела до деяких дивних і неінтуїтивних висновків. Одна з них полягає в тому, що квантова механіка дозволяє одночасно існувати в двох різних станах реальності. Наприклад, квантова фізика дозволяє тілу перебувати в двох різних місцях у просторі одночасно - або як мертвих, так і живих, як у знаменитому експерименті з кішкою Шредінгера.

Технічна назва цього явища - суперпозиція. Суперпозиції спостерігалися для крихітних об'єктів, таких як окремі атоми. Але, очевидно, ми ніколи не бачимо суперпозиції в нашому повсякденному житті. Наприклад, ми не бачимо чашку кави в двох місцях одночасно.

Щоб пояснити це спостереження, фізики-теоретики припустили, що для великих об'єктів - навіть для наночастинок, що містять близько мільярда атомів - суперпозиції швидко згортаються до тієї чи іншої з двох можливостей, через розпад стандартної квантової механіки. Для великих об'єктів швидкість згортання швидше. Для кота Шредінгера цей крах - «живий» або «мертвий» - був би практично миттєвим, пояснюючи, чому ми ніколи не бачимо суперпозицію кішки одночасно в двох станах.

До недавнього часу ці «теорії колапсу», які вимагали б модифікацій квантової механіки підручника, не могли бути перевірені, оскільки важко підготувати великий об'єкт у суперпозиції. Це пояснюється тим, що великі об'єкти більше взаємодіють зі своїм оточенням, ніж атоми або субатомні частинки - що призводить до витоків тепла, що руйнує квантові стани.

Як фізики, ми зацікавлені в теоріях колапсу, тому що ми хотіли б краще зрозуміти квантову фізику, а тим більше, що існують теоретичні вказівки, що колапс може бути наслідком гравітаційних ефектів. Зв'язок між квантовою фізикою і гравітацією буде цікавим, оскільки вся фізика спирається на ці дві теорії, а їхній єдиний опис - так звана Теорія всього - є однією з великих цілей сучасної науки.

Введіть оптичний пінцет

Оптичні пінцети використовують той факт, що світло може чинити тиск на речовину. Хоча тиск випромінювання навіть від інтенсивного лазерного пучка досить маленький, Ешкін був першою людиною, яка показала, що вона достатньо велика, щоб підтримувати наночастинку, протидіючи тяжкості, ефективно левітаючи її.

У 2010 році група дослідників зрозуміла, що така наночастинка, що утримується оптичним пінцетом, добре відокремлена від навколишнього середовища, оскільки вона не контактувала з будь-якою матеріальною підтримкою. Слідуючи цим ідеям, кілька груп запропонували способи створення і спостереження суперпозицій наночастинки в двох різних просторових місцях.

Інтригуюча схема, запропонована групами Tongcang Li і Lu Ming Duan в 2013 році, залучила кристал наноалмазу в пінцет. Наночастинка не сидить усередині пінцета. Швидше, він коливається як маятник між двома місцями, з відновленням сили, що виходить від тиску випромінювання через лазер. Крім того, цей алмазний нанокристал містить забруднюючий атом азоту, який можна розглядати як крихітний магніт, з північним (N) полюсом і південним (S) полюсом.

Стратегія Лі-Дуань складалася з трьох кроків. Спочатку вони запропонували охолодження руху наночастинки до її квантового основного стану. Це найменший енергетичний стан цього типу частинок може мати. Ми можемо очікувати, що в цьому стані частинка перестане рухатися і взагалі не коливається. Однак, якщо це сталося, ми б знали, де була частинка (в центрі пінцета), а також, як швидко вона рухалася (зовсім не). Але одночасне ідеальне знання обох позицій і швидкості не допускається знаменитим принципом невизначеності Гайзенберга в квантовій фізиці. Таким чином, навіть у найменшому енергетичному стані, частинка рухається навколо небагато, достатньо, щоб задовольнити закони квантової механіки.

По-друге, схема Li та Duan вимагала, щоб магнітний атом азоту був підготовлений у суперпозиції його північного полюса, спрямованого вгору так, як вниз.

Нарешті, було потрібно магнітне поле, щоб зв'язати атом азоту з рухом левітованого кристала алмазу. Це призвело б до перенесення магнітної суперпозиції атома до місця розташування нанокристала. Ця передача забезпечується тим, що атом і наночастинка заплутуються магнітним полем. Це відбувається так само, як суперпозиція розкладеного і нерозкладеного радіоактивного зразка перетворюється на суперпозицію кішки Шредінгера в мертві і живі стани.

Доведення теорії колапсу

Те, що дало цю теоретичну роботу зубам, було двома цікавими експериментальними розробками. Вже в 2012 році групи Лукаса Новотного і Ромена Квіданта показали, що можна охолоджувати оптично левітацію наночастинки до сотих градусів вище абсолютного нуля - найнижча теоретично можлива температура - модулюючи інтенсивність оптичного пінцета. Ефект був таким же, як і уповільнення дитини на гойдалці, штовхаючи в потрібний час.

У 2016 році ці ж дослідники змогли охолодити до десятитисячної ступені вище абсолютного нуля. Приблизно в цей час наші групи опублікували статтю, яка встановила, що температура, необхідна для досягнення квантового основного стану наночастинки з пинцетом, була приблизно на мільйонну частку вище абсолютного нуля. Ця вимога є складною, але в межах досяжності поточних експериментів.

Другим захоплюючим розвитком стало експериментальне левітація наноалмазу, що несе азот-дефект, в групі Ніка Вавівака в 2014 році. Використовуючи магнітне поле, вони також змогли досягти фізичного зв'язку атома азоту і руху кристала, що вимагається третьою стадією схеми Li-Duan.

Сьогодні гонка наближається до основного стану, так що - згідно з планом Лі-Дуану - об'єкт у двох місцях може спостерігатися згортання в єдине ціле. Якщо суперпозиції зруйновані швидкістю, передбаченою теоріями колапсу, квантову механіку, як ми знаємо, доведеться переглядати.

Ця стаття спочатку була опублікована на бесіді Мішкат Бхаттачарья та Ніка Вавівакаса. Читайте оригінальну статтю тут.