Физики управляют наночастицей, левитирующей в криогенном свободном пространстве
Квантовая механика имеет дело с поведением Вселенной в сверхмалом масштабе: атомы и субатомные частицы действуют способами, которые классическая физика не может объяснить. Чтобы исследовать это противоречие между квантовым и классическим, ученые пытаются заставить все более крупные объекты вести себя квантово-подобным образом.
В этом исследовании рассматриваемый объект представляет собой крошечную стеклянную наносферу диаметром 100 нанометров — примерно в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. На наш взгляд, это очень, очень мало, но с точки зрения квантовой физики, на самом деле она довольно велика, и состоит из 10 миллионов атомов.
Внедрение такой наносферы в сферу квантовой механики на самом деле является огромным достижением, и, тем не менее, это именно то, чего сейчас достигли физики.
Используя тщательно откалиброванные лазерные лучи, наносфера была приостановлена в самом низком квантовомеханическом состоянии, в одном из крайне ограниченных движений, при котором может начаться квантовое поведение.
«Впервые такой метод был использован для управления квантовым состоянием макроскопического объекта в свободном пространстве», — говорит Лукас Новотны, профессор фотоники из ETH Zurich в Швейцарии.
Чтобы достичь квантовых состояний, движение и энергия должны быть уменьшены. Новотны и его коллеги использовали вакуумный контейнер, охлажденный до -269 градусов по Цельсию (-452 градуса по Фаренгейту), прежде чем использовать систему обратной связи для внесения дальнейших корректировок.
Используя интерференционные картины, созданные двумя лазерными лучами, исследователи вычислили точное положение наносферы внутри ее камеры — и оттуда точные настройки, необходимые для приведения движения объекта к нулю, используя электрическое поле, создаваемое двумя электродами.
Это не так уж и отличается от замедления качелей на игровой площадке, толкая их, пока они не достигнут точки равновесия. Как только это низшее квантово-механическое состояние будет достигнуто, можно будет начинать дальнейшие эксперименты.
«Чтобы четко увидеть квантовые эффекты, наносфера должна быть замедлена … полностью до ее основного состояния движения», — говорит инженер-электрик Феликс Теббенджоханнс из ETH Zurich.
«Это означает, что мы замораживаем энергию движения сферы до минимума, который близок к квантово-механическому движению нулевой точки».
Умение левитировать такую большую сферу в криогенной среде представляет собой значительный скачок в сторону макроскопических масштабов, где можно изучить грань между классическим и квантовым.
«Наряду с тем фактом, что потенциал оптического захвата можно легко контролировать, наша экспериментальная платформа предлагает путь к исследованию квантовой механики на макроскопических масштабах», — заключают исследователи в своей опубликованной статье.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
