Man kan tro at den optiske pinsetten - en fokusert laserstråle som kan felle små partikler - er en gammel hatt nå. Tross alt ble pinsetten oppfunnet av Arthur Ashkin i 1970. Og han mottok Nobelprisen for det i år - antagelig etter at de viktigste implikasjonene hadde blitt realisert i løpet av det siste halve århundre.
Utrolig nok er dette langt fra sant. Den optiske pinsetten avslører nye muligheter og hjelper forskere med å forstå kvantemekanikk, teorien som forklarer naturen i form av subatomære partikler.
Denne teorien har ført til noen rare og motintuitive konklusjoner. En av dem er at kvantemekanikk tillater at et enkelt objekt kan eksistere i to forskjellige virkelighetstilstander samtidig. For eksempel tillater kvantefysikk et legeme å være på to forskjellige steder i rommet samtidig - eller både døde og levende, som i det berømte tankeeksperimentet til Schrödingers katt.
De to delstatene av Schrodingers katt: død (til venstre) og i live (til høyre). Kvantefysikk sier at katten kan eksistere i begge tilstander samtidig. (Rhoeo / Shutterstock.com) Det tekniske navnet på dette fenomenet er superposisjon. Det er observert superposisjoner for ørsmå gjenstander som enkeltatomer. Men klart, vi ser aldri en superposisjon i hverdagen vår. Vi ser for eksempel ikke en kopp kaffe på to steder samtidig.
For å forklare denne observasjonen har teoretiske fysikere antydet at for store gjenstander - selv for nanopartikler som inneholder rundt en milliard atomer - kollapser superposisjoner raskt til den ene eller den andre av de to mulighetene, på grunn av en sammenbrudd av standard kvantemekanikk. For større objekter er kollapsfrekvensen raskere. For Schrodingers katt ville denne kollapsen - til "levende" eller "død" - være praktisk talt øyeblikkelig, og forklare hvorfor vi aldri ser superposisjonen til en katt være i to tilstander samtidig.
Inntil nylig kunne ikke disse "kollapssteoriene", som ville kreve modifisering av kvantemekanikken i læreboka, testes, da det er vanskelig å forberede et stort objekt i en superposisjon. Dette er fordi større gjenstander samhandler mer med omgivelsene sine enn atomer eller subatomære partikler - noe som fører til lekkasjer i varme som ødelegger kvantetilstander.
Som fysikere er vi interessert i kollapssteorier fordi vi ønsker å forstå kvantefysikk bedre, og spesielt fordi det er teoretiske indikasjoner på at kollapsen kan skyldes gravitasjonseffekter. En sammenheng mellom kvantefysikk og tyngdekraft ville være spennende å finne, siden all fysikk hviler på disse to teoriene, og deres enhetlige beskrivelse - den såkalte Theory of Everything - er et av de store målene for moderne vitenskap.
Gå inn i den optiske pinsetten
Optisk pinsett utnytter det faktum at lys kan utøve press på materien. Selv om strålingstrykket fra til og med en intens laserstråle er ganske lite, var Ashkin den første personen som viste at den var stor nok til å støtte en nanopartikkel, motvirke tyngdekraften og effektivt løfte den.
I 2010 innså en gruppe forskere at en slik nanopartikkel holdt av en optisk pinsett var godt isolert fra omgivelsene, siden den ikke var i kontakt med noen materiell støtte. Etter disse ideene foreslo flere grupper måter å lage og observere superposisjoner av en nanopartikkel på to forskjellige romlige steder.
Et spennende plan foreslått av gruppene Tongcang Li og Lu Ming Duan i 2013 involverte en nanodiamondkrystall i en pinsett. Nanopartikkelen sitter ikke stille i pinsetten. Snarere svinger det som en pendel mellom to lokasjoner, med gjenopprettingskraften som kommer fra strålingstrykket på grunn av laseren. Videre inneholder denne diamant nanokrystallen et forurensende nitrogenatom, som kan tenkes som en liten magnet, med en nordpol (N) og en sørpol (S).
Li-Duan-strategien besto av tre trinn. Først foreslo de å avkjøle bevegelsen til nanopartikkelen til dens kvante grunntilstand. Dette er den laveste energitilstanden denne typen partikler kan ha. Vi kan forvente at i denne tilstanden slutter partikkelen å bevege seg rundt og ikke svinger i det hele tatt. Imidlertid, hvis det skjedde, ville vi vite hvor partikkelen var (i midten av pinsetten), i tillegg til hvor raskt den beveget seg (ikke i det hele tatt). Men samtidig perfekt kunnskap om både posisjon og hastighet tillates ikke av det berømte Heisenberg-usikkerhetsprinsippet i kvantefysikken. Selv i sin laveste energitilstand beveger partikkelen seg derfor litt, akkurat nok til å tilfredsstille kvantemekanikkens lover.
For det andre krevde Li og Duan-ordningen at det magnetiske nitrogenatom ble forberedt i en superposisjon av sin nordpol som peker oppover og nedover.
Til slutt trengtes et magnetfelt for å knytte nitrogenatomet til bevegelsen av den leviterte diamantkrystallen. Dette ville overføre atomets magnetiske superposisjon til lokasjonssuperposisjonen til nanokrystallen. Denne overføringen er muliggjort av det faktum at atomet og nanopartikkelen er viklet inn av magnetfeltet. Det skjer på samme måte som superposisjonen til den forfalne og ikke forfalne radioaktive prøven blir konvertert til superposisjonen til Schrodingers katt i døde og levende tilstander.
Beviser kollapsteorien
Skjul superposisjonen til et enkelt sted. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) Det som ga disse teoretiske arbeidstennene var to spennende eksperimentelle utviklinger. Allerede i 2012 viste gruppene av Lukas Novotny og Romain Quidant at det var mulig å avkjøle en optisk levitert nanopartikkel til en hundreledel av en grad over absolutt null - den laveste temperaturen teoretisk mulig - ved å modulere intensiteten til den optiske pinsetten. Effekten var den samme som å bremse et barn på en sving ved å presse til riktig tid.
I 2016 klarte de samme forskerne å avkjøle seg til en ti tusendels grad over absolutt null. Rundt denne tiden publiserte gruppene våre et dokument som slo fast at temperaturen som kreves for å oppnå kvantegrunntilstanden til en pinsett nanopartikkel var rundt en milliondel av en grad over absolutt null. Dette kravet er utfordrende, men innen rekkevidde av pågående eksperimenter.
Den andre spennende utviklingen var eksperimentell levitering av en nitrogen-defekt-bærende nanodiamond i 2014 i Nick Vamivakas gruppe. Ved hjelp av et magnetfelt var de også i stand til å oppnå den fysiske koblingen av nitrogenatomet og krystallbevegelsen som kreves av det tredje trinnet i Li-Duan-ordningen.
Løpet er nå i ferd med å nå grunnstaten slik at - i henhold til Li-Duan-planen - kan en gjenstand på to steder observeres kollapse i en enkelt enhet. Hvis superposisjonene blir ødelagt med den hastigheten som er forutsagt av kollapssteoriene, vil kvantemekanikk, slik vi kjenner den, måtte revideres.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
Mishkat Bhattacharya, førsteamanuensis i School of Astronomy, Rochester Institute of Technology og Nick Vamivakas, førsteamanuensis i kvanteoptikk og kvantefysikk, University of Rochester
