פרס נובל פינצטה אופטיים חושפת רמזים חדשים כיצד פועל היקום

אפשר לחשוב כי פינצטה אופטית - קרן לייזר ממוקדת שיכולה מלכודת חלקיקים קטנים - הוא עכשיו כובע ישן. אחרי הכל, הממציא הומצא על ידי ארתור אשקין ב -1970. הוא קיבל את פרס נובל עבורו השנה - ככל הנראה לאחר שהשלכותיו העיקריות מומשו במהלך מחצית המאה האחרונה.

למרבה הפלא, זה רחוק מלהיות אמיתי. המלקח האופטי חושף יכולות חדשות ומסייע למדענים להבין את מכניקת הקוונטים, התיאוריה שמסבירה את הטבע במונחים של חלקיקים תת-אטומיים.

תיאוריה זו הובילה למסקנות מוזרות ומנוגדות. אחד מהם הוא כי מכניקת הקוונטים מאפשר אובייקט אחד להתקיים בשתי מצבים שונים של המציאות בעת ובעונה אחת. לדוגמה, הפיזיקה הקוונטית מאפשרת לגוף להיות בשני מקומות שונים בחלל בו זמנית - או שניהם מתים וחיים, כמו בניסוי החשיבה המפורסם של החתול של שרדינגר.

השם הטכני לתופעה זו הוא סופרפוזיציה. סופרפוזיציות נצפו עבור אובייקטים זעירים כמו אטומים בודדים. אבל ברור, אנחנו אף פעם לא רואים סופרפוזיציה בחיי היומיום שלנו. לדוגמה, אנחנו לא רואים כוס קפה בשני מקומות בו זמנית.

כדי להסביר את התצפית הזאת, פיסיקאים תיאורטיים הציעו כי עבור אובייקטים גדולים - אפילו עבור חלקיקים המכילים כמיליארד אטומים - התמוטטות להתמוטט במהירות אחד או שניים של שתי אפשרויות, בשל התמוטטות של מכניקת הקוונטים סטנדרטית. עבור אובייקטים גדולים יותר קצב הקריסה הוא מהיר יותר. עבור החתול של שרדינגר, התמוטטות זו - ל"חיים "או" מתים "- תהיה כמעט מיידית, ותסביר מדוע איננו רואים את הסופרפוזיציה של חתול הנמצאת בשתי מדינות בעת ובעונה אחת.

עד לאחרונה, אלה "תיאוריות קריסת", אשר ידרוש שינויים של מכניקת הקוונטים, לא ניתן לבדוק, שכן קשה להכין אובייקט גדול סופרפוזיציה. הסיבה לכך היא כי חפצים גדולים יותר אינטראקציה יותר עם הסביבה שלהם מאשר אטומים או חלקיקים תת אטומיים - מה שמוביל דליפות בחום כי הורסת מצבים קוונטיים.

כפיסיקאים, אנו מעוניינים בתיאוריות של התמוטטות, משום שאנו רוצים להבין טוב יותר את הפיזיקה הקוונטית, ובמיוחד משום שיש סימנים תיאורטיים לכך שההתמוטטות יכולה להיות תוצאה של השפעות כבידה. הקשר בין פיסיקת הקוונטים לכוח הכבידה יהיה מרגש לגלות כי כל הפיזיקה נשענת על שתי התיאוריות האלה, והתיאור המאוחד שלהן - מה שמכונה תיאוריית הכל - הוא אחת המטרות הגדולות של המדע המודרני.

הזן את הזחל האופטי

מלקחיים אופטיים לנצל את העובדה כי האור יכול להפעיל לחץ על החומר. למרות לחץ הקרינה אפילו קרן לייזר אינטנסיבית הוא קטן למדי, אשקין היה האדם הראשון להראות כי הוא היה גדול מספיק כדי לתמוך חלקיקים, נגד כוח הכבידה, ביעילות לרחף אותו.

בשנת 2010 קבוצה של חוקרים הבנתי כי חלקיקים כאלה מוחזקים על ידי פינצטה אופטיים היה מבודד היטב מהסביבה שלה מאז זה לא היה בקשר עם כל תמיכה חומרית. בעקבות הרעיונות הללו, מספר קבוצות הציעו דרכים ליצור ולהבחין בסופרפוזיציות של ננו-חלקיקלי בשני מיקומים מרחביים שונים.

תוכנית מעניינת המוצעת על ידי קבוצות של Tongcang Li ולו מינג דואן בשנת 2013 מעורב גביש nanodiamond ב פינצטה. החלקיקים לא יושבים עדיין בתוך המלקחיים. במקום זאת, הוא מתנודד כמו מטוטלת בין שני מיקומים, עם כוח שחזור מגיע הלחץ קרינה עקב הלייזר. יתר על כן, זה nanocrystal יהלומים מכיל אטום חנקן מזוהמים, אשר יכול להיחשב מגנט זעיר, עם הקוטב הצפוני (N) וקוטב הדרומי (S).

האסטרטגיה של לי-דואן כללה שלושה שלבים. ראשית, הם הציעו קירור את התנועה של חלקיקים כדי המדינה הקוונטית שלה הקרקע. זהו מצב האנרגיה הנמוך ביותר מסוג זה של חלקיק יכול להיות. אנו עשויים לצפות כי במצב זה החלקיק מפסיק להסתובב ולא מתנדנד בכלל. עם זאת, אם זה יקרה, היינו יודעים איפה החלקיק היה (במרכז של פינצטה), כמו גם כמה מהר זה נע (בכלל לא). אבל ידע מושלם בו זמנית של הן המיקום והמהירות אינו מותר על ידי עקרון האי הוודאות המפורסם של הייזנברג בפיזיקה קוונטית. לכן, אפילו במצב האנרגיה הנמוך ביותר שלה, החלקיק נע סביב קצת, רק מספיק כדי לספק את החוקים של מכניקת הקוונטים.

שנית, תוכנית לי ודואן דרשה את אטום החנקן המגנטי להיות מוכן בסופרפוזיציה של הקוטב הצפוני המצביע למעלה ולמטה.

לבסוף, נדרש שדה מגנטי לקשר את אטום החנקן לתנועתו של קריסטל היהלומים המוטבע. זה יעביר את הסופרפוזיציה המגנטית של האטום למקום סופרפוזיציה של הננו. העברה זו מופעלת על ידי העובדה כי האטום ואת חלקיקים מסובכים על ידי השדה המגנטי. היא מתרחשת באותו אופן שבו הסופרפוזיציה של המדגם הרדיואקטיבי המנוקב והלא מנוון מומרת לסופרפוזיציה של החתול של שרדינגר במצבים מתים וחיים.

הוכחת תורת המפולת

מה שנתן שיני עבודה תיאורטיות אלה היו שתי התפתחויות ניסיוניות מרגשות. כבר בשנת 2012, קבוצות לוקאס נובוטני ורומין קוויידנט הראו כי ניתן לקרר ננו-חלקיקציה מרחפת אופטית למאות מעלות מעל האפס המוחלט - הטמפרטורה הנמוכה ביותר מבחינה תיאורטית אפשרית - על ידי שינוי עוצמת המלקח האופטי. ההשפעה היתה זהה לזו של האטת ילד על נדנדה על ידי דחיפה בזמנים הנכונים.

בשנת 2016 אותם חוקרים הצליחו להתקרר לעשרה אלפים מעלות מעל האפס המוחלט. בערך בתקופה זו קבוצות שלנו פירסם נייר לקבוע כי הטמפרטורה הנדרשת להגיע למצב הקרקע הקוונטי של חלקיק מורטש היה סביב מיליונים של תואר מעל האפס המוחלט. דרישה זו מאתגרת, אבל בהישג יד של ניסויים מתמשכים.

התפתחות מרגשת השני היה ריחוף ניסיוני של nanodiamond חנקן נושאת חנקן בשנת 2014 בקבוצה של ניק Vamivakas. באמצעות שדה מגנטי, הם הצליחו גם להשיג את הצימוד הפיזי של אטום החנקן ואת תנועת הקריסטל הנדרשת בשלב השלישי של תכנית לי-דואן.

המירוץ נמצא כעת על מנת להגיע למצב הקרקע, כך שלפי תוכנית לי-דואן ניתן לראות אובייקט בשני מקומות, תוך התמוטטות לתוך ישות אחת. אם סופרפוזיציות נהרסות בשיעור החזוי על ידי תיאוריות קריסה, מכניקת הקוונטים כפי שאנו מכירים אותה יהיה צורך לשנות.

מאמר זה פורסם במקור על השיחה על ידי משכת Bhattacharya ו ניק Vamivakas. קרא את המאמר המקורי כאן.