Moglo bi se pomisliti da je optički pinceta - fokusiran laserski snop koji može zarobiti sitne čestice - već odavno stari šešir. Napokon, pincetu je izumio Arthur Ashkin 1970. godine. A za to je ove godine dobio Nobelovu nagradu - vjerojatno nakon što su se njegove glavne posljedice ostvarile u posljednjih pola stoljeća.
Iznenađujuće, to još uvijek nije istina. Optički pinceta otkriva nove sposobnosti dok pomaže znanstvenicima da razumiju kvantnu mehaniku, teoriju koja objašnjava prirodu u smislu subatomskih čestica.
Ova je teorija dovela do nekih čudnih i kontratuktivnih zaključaka. Jedan od njih je da kvantna mehanika omogućuje da jedan objekt postoji u dva različita stanja stvarnosti u isto vrijeme. Na primjer, kvantna fizika omogućava tijelu da se istovremeno nalazi na dva različita mjesta u prostoru - ili mrtvima i živima, kao u glasovitom misaonom eksperimentu Schrödingerove mačke.
Dvije države Schrodingerove mačke: mrtva (s lijeve strane) i živa (s desne strane). Kvantna fizika kaže da mačka može postojati u oba stanja istovremeno. (Rhoeo / Shutterstock.com) Tehnički naziv za ovaj fenomen je superpozicija. Primjećene su superpozicije za sićušne predmete poput pojedinih atoma. Ali jasno, u svakodnevnom životu nikada ne vidimo superpoziciju. Na primjer, ne vidimo šalicu kave na dvije lokacije istovremeno.
Da bi objasnili ovo opažanje, teorijski fizičari sugeriraju da se za velike objekte - čak i za nanočestice koje sadrže oko milijardu atoma - superpozicije brzo srušavaju na jednu ili drugu od dvije mogućnosti, zbog sloma standardne kvantne mehanike. Kod većih objekata brzina urušavanja je brža. Za Schrodingerove mačke ovaj bi kolaps - „živ“ ili „mrtav“ - bio praktično trenutan, objašnjavajući zašto nikada ne vidimo da je mačka superponirana u dvije države odjednom.
Donedavno se te „teorije kolapsa“, koje bi zahtijevale modifikacije kvantne mehanike udžbenika, nisu mogle testirati, jer je teško pripremiti veliki objekt u superpoziciji. To je zato što veći objekti više djeluju s okolinom nego atomi ili subatomske čestice - što dovodi do curenja topline koja uništava kvantna stanja.
Kao fizičare, zanimaju nas teorije kolapsa zato što bismo željeli bolje razumjeti kvantnu fiziku i to konkretno zato što postoje teoretske indikacije da bi kolaps mogao nastati zbog gravitacijskih učinaka. Bilo bi uzbudljivo pronaći vezu između kvantne fizike i gravitacije, jer sva fizika počiva na ove dvije teorije, a njihov jedinstveni opis - takozvana Teorija svega - jedan je od glavnih ciljeva moderne znanosti.
Unesite optički pincetu
Optički pinceta koristi činjenicu da svjetlost može vršiti pritisak na materiju. Iako je pritisak zračenja čak i od intenzivnog laserskog snopa prilično mali, Ashkin je prva osoba koja je pokazala da je dovoljno velika da podržava nanočestice, suprotstavljajući se gravitaciji, efektivno levitirajući.
Godine 2010. skupina istraživača shvatila je da je takva nanočestica koju drži optički pinceta dobro izolirana od svoje okoline, jer nije bila u kontaktu s bilo kakvom materijalnom potporom. Slijedom ovih ideja, nekoliko skupina predložilo je načine stvaranja i promatranja superpozicija nanočestica na dva različita prostorna mjesta.
Intrigantna shema koju su 2013. godine predložile grupe Tongcang Li i Lu Ming Duan uključila je kristal nanodijamant u pincetu. Nanočestica ne miruje unutar pincete. Umjesto toga, oscilira kao klatno između dviju lokacija, pri čemu obnavljavajuća sila dolazi od pritiska zračenja uslijed lasera. Dalje, ovaj nanokristal dijamanata sadrži zagađujući atom dušika, koji se može smatrati sitnim magnetom, sa sjevernim (N) i južnim (S) polom.
Strategija Li-Duan sastojala se od tri koraka. Prvo su predložili hlađenje gibanja nanočestice do njezinog kvantnog osnovnog stanja. To je stanje s najnižom energijom koju ova vrsta čestica može imati. Moglo bi se očekivati da se u tom stanju čestica prestaje kretati okolo i uopće ne oscilira. Međutim, da se to dogodilo, znali bismo gdje se čestica nalazila (u središtu pincete), kao i koliko se brzo kretala (uopće ne). Ali istodobno savršeno znanje i položaja i brzine ne dopušta poznati Heisenbergov princip neizvjesnosti kvantne fizike. Stoga se i u najnižem energetskom stanju čestica pomalo kreće okolo, tek toliko da udovolji zakonima kvantne mehanike.
Drugo, shema Li i Duan zahtijevala je pripremanje atoma magnetskog dušika u superpoziciji njegovog sjevernog pola usmjerenog prema gore i prema dolje.
Napokon, bilo je potrebno magnetsko polje za povezivanje atoma dušika s gibanjem levitatiranog dijamantskog kristala. Time bi se magnetska superpozicija atoma prebacila u mjesto superpozicije nanokristala. Taj je prijenos omogućen činjenicom da su atom i nanočestica upleteni magnetskim poljem. Događa se na isti način kako se superpozicija raspadanog i ne raspadajućeg radioaktivnog uzorka pretvara u superpoziciju Schrodingerove mačke u mrtvim i živim stanjima.
Dokazivanje teorije kolapsa
Sažmi superpoziciju na jedno mjesto. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) Ono što je ovom teoretskom zubu dalo dva su uzbudljiva eksperimentalna razvoja. Već 2012. godine, skupine Lukas Novotny i Romain Quidant pokazale su da je moguće optičko levitiranje nanočestica do stotke stupnja iznad apsolutne nule - teoretski najniže temperature - modulacijom intenziteta optičke pincete. Učinak je bio isti kao i usporavanje djeteta na zamahu guranjem u pravo vrijeme.
U 2016. isti su se istraživači uspjeli ohladiti na deset tisuća stupnjeva iznad apsolutne nule. Otprilike u ovo vrijeme naše su grupe objavile članak u kojem je utvrđeno da je temperatura potrebna za postizanje kvantnog stanja tla tweeziranog nanočestica bila oko milijun stupnjeva iznad apsolutne nule. Ovaj je zahtjev zahtevan, ali unutar dometa pokusa koji su u tijeku.
Drugi uzbudljivi razvoj bila je eksperimentalna levitacija nanodijamanata koji nosi azot, 2014. godine u grupi Nicka Vamivakasa. Pomoću magnetskog polja uspjeli su postići i fizičko povezivanje dušikovog atoma i kristalno gibanje koje zahtijeva treći korak Li-Duanove sheme.
Utrka je sada stigla do prizemnog stanja tako da se - prema Li-Duanovom planu - objekt na dvije lokacije može promatrati kako se srušava u jednu cjelinu. Ako su superpozicije uništene brzinom predviđenom teorijama kolapsa, kvantna mehanika kakvu poznajemo morat će se revidirati.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
Mishkat Bhattacharya, izvanredni profesor na Astronomskoj školi, Rochesterski tehnološki institut i Nick Vamivakas, izvanredni profesor kvantne optike i kvantne fizike, Sveučilište u Rochesteru
