Nobelio premijos optiniai pincetai atskleidžia naujus clues, kaip veikia visata

Galima manyti, kad optinis pincetas - fokusuotas lazerinis spindulys, galintis sulaikyti mažas daleles, dabar yra senas. Galų gale, pincetas buvo išrastas Arthur Ashkin 1970 metais. Ir šiais metais jis gavo Nobelio premiją - tikriausiai po to, kai jo pagrindiniai padariniai buvo realizuoti per pastarąjį pusmetį.

Stebėtina, kad tai toli gražu nėra tiesa. Optinis pincetas atskleidžia naujas galimybes, padėdamas mokslininkams suprasti kvantinę mechaniką - teoriją, kuri paaiškina gamtą subatominių dalelių prasme.

Ši teorija paskatino keistą ir priešpriešinę išvadą. Vienas iš jų yra tas, kad kvantinė mechanika leidžia vienu metu egzistuoti viename objekte dviejose skirtingose ​​realybės būsenose. Pavyzdžiui, kvantinė fizika leidžia organizmui tuo pačiu metu būti dviejose skirtingose ​​erdvėse - arba mirusiems, ir gyviems, kaip ir žinomam Schrödinger katės minties eksperimentui.

Šio reiškinio techninis pavadinimas yra superpozicija. Smulkių objektų, pvz., Pavienių atomų, superpozicijos buvo pastebėtos. Tačiau akivaizdu, kad mūsų kasdieniame gyvenime niekada nematome superpozicijos. Pavyzdžiui, vienu metu nematome kavos puodelio dviejose vietose.

Šiam pastebėjimui paaiškinti teoriniai fizikai teigė, kad dėl didelių objektų, net ir apie maždaug milijardo atomų nanodaleles, dėl standartinių kvantinių mechanikų suskirstymo greitai susitraukia viena ar kita iš dviejų galimybių. Didesniems objektams žlugimo greitis yra greitesnis. Schringerio katės atveju šis žlugimas - „gyvas“ ar „miręs“ - būtų praktiškai akimirksniu, paaiškinantis, kodėl niekada nematome, kad katė yra dviejose valstybėse.

Iki šiol šios „žlugimo teorijos“, kurioms reikėjo keisti vadovėlio kvantinės mechanikos, negalėjo būti išbandytos, nes sunku paruošti didelį objektą superpozicijoje. Taip yra todėl, kad didesni objektai labiau sąveikauja su savo aplinka nei atomai ar subatominės dalelės - tai lemia šilumos nutekėjimą, kuris naikina kvantines būsenas.

Kaip fizikai, esame suinteresuoti žlugimo teorijomis, nes norėtume geriau suprasti kvantinę fiziką, o būtent todėl, kad yra teorinių požymių, kad žlugimas gali atsirasti dėl gravitacinio poveikio. Kvantinės fizikos ir gravitacijos ryšys būtų įdomus rasti, nes visa fizika remiasi šiomis dviem teorijomis, o jų vieningas aprašymas - vadinamoji visko teorija - yra vienas didžiausių šiuolaikinio mokslo tikslų.

Įveskite optinį pincetą

Optiniai pincetai išnaudoja faktą, kad šviesa gali daryti spaudimą medžiagai. Nors spinduliuotės slėgis iš net intensyvaus lazerio spindulio yra gana mažas, Ashkin buvo pirmasis asmuo, kuris parodė, kad jis buvo pakankamai didelis, kad palaikytų nanodalelę, kovodamas su sunkumu, veiksmingai jį nulemdamas.

2010 m. Grupė mokslininkų suprato, kad tokia nanodalelė, laikoma optiniame pincete, buvo gerai izoliuota nuo aplinkos, nes ji nesiliečia su jokia materialine parama. Po šių idėjų kelios grupės pasiūlė būdų sukurti ir stebėti nanodalelių superpozicijas dviejose skirtingose ​​erdvinėse vietose.

Įdomi schema, kurią 2013 m. Pasiūlė „Tongcang Li“ ir „Lu Ming Duan“ grupės, buvo susijusi su nanodiamondo kristalais pincete. Nanodalelės sėdi prie pinceto. Atvirkščiai, jis svyruoja kaip švytuoklė tarp dviejų vietų, o atkuriamoji jėga atsiranda dėl lazerio spinduliuotės slėgio. Be to, šiame deimantiniame nanokristalyje yra užteršiantis azoto atomas, kuris gali būti laikomas mažu magnetu, su šiauriniu (N) poliu ir pietiniu (S) poliu.

Li-Duan strategiją sudarė trys pakopos. Pirma, jie pasiūlė atšaldyti nanodalelių judėjimą į savo kvantinę žemę. Tai yra mažiausia energijos būsena, kurios gali būti tokio tipo dalelėje. Galime tikėtis, kad šioje būsenoje dalelė nustos judėti ir visai nesidaro. Tačiau, jei taip atsitiktų, mes žinotume, kur yra dalelė (pinceto centre), taip pat, kaip greitai jis judėjo (visai ne). Bet tuo pačiu metu tobulas žinios apie padėtį ir greitį neleidžia garsus Heisenbergo kvantinės fizikos neapibrėžties principas. Taigi, net ir žemiausioje energijos būsenoje, dalelė juda šiek tiek, tik tiek, kad atitiktų kvantinės mechanikos įstatymus.

Antra, „Li“ ir „Duan“ schemoje reikalaujama, kad magnetinis azoto atomas būtų paruoštas taip, kad jo šiaurinis polius būtų nukreiptas aukštyn ir žemyn.

Galiausiai buvo reikalingas magnetinis laukas, siekiant susieti azoto atomą su levituoto deimanto kristalo judesiu. Tai perneštų atomo magnetinę superpoziciją į nanokristalinio paviršiaus vietą. Šį perkėlimą įgalina tai, kad atomas ir nanodalelės yra susietos su magnetiniu lauku. Taip atsitinka taip, kad sugedusio ir nežlugusio radioaktyvaus mėginio superpozicija paverčiama Schrodingerio katės superpozicija negyvose ir gyvose valstybėse.

Sutraukimo teorijos nustatymas

Tai, kas davė šį teorinį darbą, buvo du įdomūs eksperimentiniai pokyčiai. Jau 2012 m. Lukas Novotny ir Romain Quidant grupės parodė, kad optiniu pincetu intensyvumo moduliavimu galima optimizuoti optiškai levituotą nanodalelę iki šimto laipsnio virš absoliutaus nulio - mažiausios temperatūros teoriškai įmanoma. Poveikis buvo toks pat, kaip ir vaiko lėtinimas sūpynės, stumdami reikiamu laiku.

2016 m. Tie patys mokslininkai sugebėjo atvėsti iki dešimties tūkstančių laipsnių virš absoliutaus nulio. Šiais laikais mūsų grupės paskelbė dokumentą, kuriame nustatyta, kad temperatūra, reikalinga norint pasiekti tweezed nanodalelių kvantinę žemę, buvo apie milijoną laipsnio virš absoliutaus nulio. Šis reikalavimas yra sudėtingas, bet pasiekiamas vykstančiais eksperimentais.

Antras įdomus vystymasis buvo 2014 m. Nikon Vamivako grupėje eksperimentinis azoto defektą turinčio nanodiamodo plitimas. Naudojant magnetinį lauką, jie taip pat galėjo pasiekti fizinį azoto atomo ir kristalo judėjimo, reikalaujamo pagal Li-Duan schemos trečiąjį etapą, susiejimą.

Dabar lenktynės pasiekia pagrindinę būseną taip, kad - pagal Li-Duan planą - galima pastebėti, kad objektas dviejose vietose sutrinka į vieną subjektą. Jei superpozicijos bus sunaikintos pagal sulėtėjimo teorijų prognozuojamą normą, kvantinė mechanika, kaip žinome, turės būti peržiūrėta.

Šis straipsnis iš pradžių buvo paskelbtas Mishkat Bhattacharya ir Nick Vamivakas pokalbyje. Skaitykite originalų straipsnį čia.