Nobelprisen Optical Tweezer løser nye ledd til hvordan universet fungerer

Man kan tro at den optiske pincet - en fokusert laserstråle som kan fange små partikler - er gammel hatt nå. Tross alt ble pinnen 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 halv århundre.

Utrolig, dette er langt fra sant. Den optiske pincetten avslører nye evner samtidig som forskerne forstår kvantemekanikk, teorien som forklarer naturen når det gjelder subatomære partikler.

Denne teorien har ført til noen rare og kontraintuitive konklusjoner. En av dem er at kvantemekanikken tillater et enkelt objekt å eksistere i to forskjellige tilstander av virkelighet på samme tid. Eksempelvis gjør kvantefysikk en kropp til å være på to forskjellige steder i rommet samtidig - eller både død og levende, som i det berømte tankeeksperimentet til Schrödinger katt.

Det tekniske navnet på dette fenomenet er superposisjon. Superposisjoner er observert for små gjenstander som enkeltatomer. Men klart, vi ser aldri en superposisjon i hverdagen. For eksempel ser vi 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 om lag en milliard atomer - faller suksessene raskt sammen med den ene eller den andre av de to mulighetene, på grunn av en sammenbrudd av standardkvantemekanikken. For større objekter er sammenbruddshastigheten raskere. For Schrodinger katt vil dette kollapset - til "levende" eller "dødt" - være praktisk talt øyeblikkelig, og forklarer hvorfor vi aldri ser overleggen av en katt i to stater samtidig.

Inntil nylig har disse "sammenbruddsteoriene", som ville kreve endringer i lærebokens kvantemekanikk, ikke blitt testet, da det er vanskelig å forberede en stor gjenstand i en superposisjon. Dette skyldes at større gjenstander samhandler mer med omgivelsene enn atomer eller subatomære partikler - som fører til lekkasjer i varme som ødelegger kvanteforhold.

Som fysikere er vi interessert i å kollapse teorier fordi vi ønsker å forstå kvantfysikk bedre, og spesielt fordi det er teoretiske indikasjoner på at sammenbruddet kan skyldes gravitasjonseffekter. En sammenheng mellom kvantfysikk og tyngdekraften vil være spennende å finne siden all fysikk hviler på disse to teoriene, og deres forenklede beskrivelse - den såkalte Theory of Everything - er en av de store målene for moderne vitenskap.

Skriv inn Optisk Tweezer

Optiske pinsetter utnytter det faktum at lys kan utøve trykk på materie. Selv om strålingstrykket fra enda en intens laserstråle er ganske liten, var Ashkin den første personen som viste at den var stor nok til å støtte en nanopartikkel, motvirke tyngdekraften, og effektivt levitere den.

I 2010 innså en gruppe forskere at en slik nanopartikkel som ble holdt av en optisk pincet var isolert fra omgivelsene, siden den ikke var i kontakt med noen materiell støtte. Etter disse ideene foreslo flere grupper måter å opprette og observere superposisjoner av en nanopartikkel på to forskjellige romlige steder.

En spennende ordning foreslått av gruppene Tongcang Li og Lu Ming Duan i 2013 involvert en nanodiamond krystall i en pincet. Nanopartiet sitter ikke stille inne i pincetet. Snarere svinger den som en pendul mellom to steder, med gjenopprettingsstyrken som kommer fra strålingstrykket på grunn av laseren. Videre inneholder denne diamant nanokrystallen et forurensende nitrogenatom, som kan betraktes som en liten magnet, med en nord (N) pol og en syd (S) pol.

Li-Duan-strategien besto av tre trinn. Først foreslo de å kjøle nanopartikkets bevegelse til sin kvanteformet tilstand. Dette er den laveste energistaten denne typen partikkel kan ha. Vi kan forvente at partikkelen i denne tilstanden slutter å bevege seg og ikke oscillerer i det hele tatt. Men hvis det skjedde, ville vi vite hvor partikkelen var (i midten av pincetten), så vel hvor raskt den beveget seg (ikke i det hele tatt). Men samtidig perfekt kjennskap til både posisjon og hastighet er ikke tillatt av det berømte Heisenberg usikkerhetsprinsippet for kvantfysikk. Således, selv i sin laveste energistatus, beveger partikkelen seg litt rundt, akkurat nok til å tilfredsstille kvantemekanikkens lover.

For det andre krevde Li- og Duan-ordningen det magnetiske nitrogenatomet som skulle fremstilles i en superposisjon av nordpolen som peker opp og ned.

Til slutt var det nødvendig med et magnetfelt for å koble nitrogenatomet til bevegelsen av den leviterte diamantkrystall. Dette ville overføre den magnetiske superposisjonen til atomet til nanokrystalls plassering overliggende posisjon. Denne overføringen aktiveres av det faktum at atomet og nanopartikkelen er innfestet av magnetfeltet. Det skjer på samme måte at overløsningen av den forfallne og ikke-forfallne radioaktive prøven omdannes til superposisjonen til Schrodinger katt i døde og levende tilstander.

Proving Collapse Theory

Hva ga dette teoretiske arbeidstennene var to spennende eksperimentelle utviklinger. Allerede i 2012 viste gruppene Lukas Novotny og Romain Quidant at det var mulig å avkjøle en optisk levitert nanopartikkel til hundrevis av grader over absolutt null - den laveste temperaturen teoretisk mulig - ved å modulere intensiteten til den optiske pincetten. Effekten var den samme som for å bremse et barn på en sving ved å skyve på riktig tidspunkt.

I 2016 kunne de samme forskerne kjøle seg til en ti tusen av en grad over absolutt null. Rundt denne gangen publiserte gruppene våre et papir som fastslår at temperaturen som var nødvendig for å nå kvanteformet tilstand av en nivellert 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 den eksperimentelle levitasjonen av en nitrogen-defektbærende nanodiamond i 2014 i Nick Vamivakas gruppe. Ved hjelp av et magnetfelt kunne de også oppnå den fysiske koblingen av nitrogenatomet og krystallbevegelsen som kreves av det tredje trinnet i Li-Duan-ordningen.

Løpet er nå på vei til grunnstaten slik at et objekt på to steder kan sees sammen i en enkelt enhet, ifølge Li-Duan-planen. Hvis superposisjonene blir ødelagt med den hastigheten som forutses av sammenbruddsteoriene, må kvantemekanikk som vi kjenner det, bli revidert.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation av Mishkat Bhattacharya og Nick Vamivakas. Les den opprinnelige artikkelen her.