Могло би се помислити да је оптички пинцета - фокусирани ласерски сноп који може да ухвати ситне честице - до сада стари шешир. Уосталом, пинцету је изумио Артхур Асхкин 1970. године. А за то је ове године добио Нобелову награду - вероватно након што су његове последице последице остварене у последњих пола века.
Невероватно, ово још увек није тачно. Оптички пинцета открива нове способности док помаже научницима да разумеју квантну механику, теорију која објашњава природу у смислу субатомских честица.
Ова теорија довела је до неких чудних и контратуктивних закључака. Један од њих је да квантна механика омогућава да један предмет постоји у два различита стања стварности у исто време. На пример, квантна физика омогућава телу да буде истовремено на две различите локације у простору - или мртвим и живим, као у чувеном мисаоном експерименту Сцхродингерове мачке.
Две државе Сцхродингерове мачке: мртва (са леве стране) и жива (са десне стране). Квантна физика каже да мачка може постојати у оба стања истовремено. (Рхоео / Схуттерстоцк.цом) Технички назив за овај феномен је суперпозиција. Примећене су суперпозиције за ситне предмете попут појединачних атома. Али јасно је да у свакодневном животу никада не видимо суперпозицију. На пример, не видимо шалицу кафе на две локације истовремено.
Да би објаснили ово запажање, теоријски физичари су сугерисали да се за велике објекте - чак и за наночестице које садрже око милијарду атома - суперпозиције брзо распадају на једну или другу од две могућности, услед квара стандардне квантне механике. Код већих објеката брзина урушавања је бржа. За Сцхродингерову мачку овај колапс - „жив“ или „мртав“ - био би практично моменталан, објашњавајући зашто никада не видимо да се мачка налази у две државе одједном.
Донедавно се те „теорије колапса“, које би захтевале модификације квантне механике уџбеника, нису могле тестирати, јер је тешко припремити велики објект у суперпозицији. То је зато што већи објекти више комуницирају са околином него атоми или субатомске честице - што доводи до цурења топлоте која уништава квантна стања.
Као физичаре, занимају нас теорије колапса зато што бисмо желели да боље разумемо квантну физику и то конкретно зато што постоје теоретске индикације да би колапс могао да буде последица гравитационих ефеката. Било би узбудљиво пронаћи везу између квантне физике и гравитације, јер се сва физика ослања на ове две теорије, а њихов обједињени опис - такозвана Теорија свега - један је од главних циљева модерне науке.
Унесите оптички пинцету
Оптички пинцета користи чињеницу да светлост може вршити притисак на материју. Иако је притисак зрачења чак и од интензивног ласерског снопа прилично мали, Асхкин је прва особа која је показала да је довољно велика да подржава наночестице, супротстављајући се гравитацији, ефективно левитирајући.
Године 2010, група истраживача схватила је да је таква наночестица коју држи оптички пинцета добро изолована од своје околине, јер није била у контакту с било каквом материјалном подршком. Слиједећи ове идеје, неколико група предложило је начине стварања и проматрања суперпозиција наночестица на двије различите просторне локације.
Интригантна шема коју су 2013. године предложиле групе Тонгцанг Ли и Лу Минг Дуан укључила је кристал нанодијамант у пинцету. Наночестица не мирује унутар пинцете. Уместо тога, осцилира као клатно између две локације, при чему враћајућа сила долази од притиска зрачења услед ласера. Даље, овај дијамантски нанокристал садржи загађујући атом азота, који се може сматрати ситним магнетом, са северним (Н) и јужним (С) полом.
Стратегија Ли-Дуан састојала се од три корака. Прво су предложили хлађење кретања наночестице до квантног стања земље. То је стање са најнижом енергијом коју ова врста честица може имати. Могли бисмо очекивати да се у овом стању честица престаје кретати около и уопште не осцилира. Међутим, да се то догодило, знали бисмо где се честица налазила (у средини пинцете), као и колико се брзо кретала (уопште не). Али истовремено савршено знање о положају и брзини не допушта познати Хеисенбергов принцип неизвесности квантне физике. Стога се и у најнижем енергетском стању честица креће наоколо, тек толико да удовољи законима квантне механике.
Друго, схема Ли и Дуан захтевала је да се атом магнетног азота припреми у суперпозицији његовог северног пола који је окренут према доле и надоле.
Коначно, било је потребно магнетно поље да повеже атом душика са кретањем левитатованог дијамантског кристала. Ово би пренело магнетну суперпозицију атома у локацију суперпозиције нанокристала. Овај трансфер је омогућен чињеницом да су атом и наночестица заплетени магнетним пољем. Дешава се на исти начин као што се суперпозиција распаднутог и не распаднутог радиоактивног узорка претвара у суперпозицију Сцхродингерове мачке у мртвим и живим стањима.
Доказивање теорије колапса
Сажми суперпозицију на једну локацију. (ДреамцатцхерДиана / Схуттерстоцк.цом) Оно што је дало овом теоретском зубу рад су два узбудљива експериментална развоја. Већ 2012. године, групе Лукас Новотни и Ромаин Куидант показале су да је могуће оптичким левитираним наночестицама охладити до стотке степени изнад апсолутне нуле - најниже теоретски могуће температуре - модулацијом интензитета оптичке пинцете. Ефекат је био исти као и успорење детета на замаху притиском у правим тренуцима.
Током 2016. исти истраживачи су били у стању да се охладе на десет хиљада степени изнад апсолутне нуле. Отприлике у ово време наше су групе објавиле чланак у коме је утврђено да је температура потребна за постизање квантног стања тла твеезед наночестице око милионите степени изнад апсолутне нуле. Овај захтев је изазован, али у домету експеримената који су у току.
Други узбудљиви развој догађаја била је експериментална левитација нанодијаманата који носи азот у 2014. години у групи Ника Вамивакаса. Помоћу магнетног поља успели су да постигну и физичко повезивање атома азота и кристално кретање захтевано у трећем кораку Ли-Дуанове шеме.
Сада је трка за достизање земаљског стања, тако да - према Ли-Дуан-овом плану - објекат на две локације може се посматрати како се срушава у једну целину. Ако су супозиције уништене брзином предвиђеном теоријама колапса, квантна механика, као што знамо, мораће бити ревидирана.
Овај чланак је првобитно објављен у часопису Тхе Цонверсатион.
Мисхкат Бхаттацхариа, ванредни професор на Астрономској школи, Роцхестерски технолошки институт и Ницк Вамивакас, ванредни професор квантне оптике и квантне физике, Универзитет у Роцхестеру
