Επιστήμονες αιωρούν μια γυάλινη νανοσφαίρα, ελέγχοντας για πρώτη φορά την κβαντική κατάσταση ενός αντικειμένου

Η κβαντομηχανική ασχολείται με τη συμπεριφορά του Σύμπαντος σε πολύ μικρή κλίμακα: άτομα και υποατομικά σωματίδια που λειτουργούν με τρόπους που η κλασική φυσική δεν μπορεί να εξηγήσει. Προκειμένου να εξερευνήσουν αυτή την ένταση μεταξύ κβαντικής και κλασικής φυσικής, οι επιστήμονες προσπαθούν συνεχώς να κάνουν όλο και μεγαλύτερα αντικείμενα να συμπεριφέρονται με κβαντικό τρόπο.

Πίσω στο 2021, μια ομάδα τα κατάφερε με μια μικροσκοπική γυάλινη νανοσφαίρα με διάμετρο 100 νανόμετρα - περίπου χίλιες φορές μικρότερη από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας. Στο μυαλό μας αυτό είναι πολύ, πολύ μικρό, αλλά από την άποψη της κβαντικής φυσικής, στην πραγματικότητα είναι μάλλον τεράστιο, φτιαγμένο από έως και 10 εκατομμύρια άτομα. Η προώθηση μιας τέτοιας νανοσφαίρας στη σφαίρα της κβαντομηχανικής ήταν ένα τεράστιο επίτευγμα. Χρησιμοποιώντας προσεκτικά βαθμονομημένα φώτα λέιζερ, η νανόσφαιρα αιωρήθηκε στη χαμηλότερη κβαντομηχανική της κατάσταση, μια κατάσταση εξαιρετικά περιορισμένης κίνησης όπου μπορεί να αρχίσει να συμβαίνει η κβαντική συμπεριφορά.

"Είναι η πρώτη φορά που μια τέτοια μέθοδος χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της κβαντικής κατάστασης ενός μακροσκοπικού αντικειμένου στον ελεύθερο χώρο", δήλωσε ο Lukas Novotny, καθηγητής φωτονικής από το ETH της Ζυρίχης στην Ελβετία, τον Ιούλιο του 2021.

Για να επιτευχθούν κβαντικές καταστάσεις, η κίνηση και η ενέργεια πρέπει να ρυθμιστούν στο ελάχιστο. Ο Novotny και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν ένα δοχείο κενού που ψύχθηκε στους -269 βαθμούς Κελσίου πριν χρησιμοποιήσουν ένα σύστημα ανατροφοδότησης για να κάνουν περαιτέρω ρυθμίσεις.

Χρησιμοποιώντας τα μοτίβα παρεμβολής που δημιουργούνται από δύο ακτίνες λέιζερ, οι ερευνητές υπολόγισαν την ακριβή θέση της νανοσφαίρας μέσα στον θάλαμό της - και από εκεί τις ακριβείς ρυθμίσεις που απαιτούνται για να φέρουν την κίνηση του αντικειμένου κοντά στο μηδέν, χρησιμοποιώντας το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από δύο ηλεκτρόδια. Δεν διαφέρει και πολύ από το να επιβραδύνεις μια κούνια παιδικής χαράς σπρώχνοντάς την και τραβώντας την μέχρι να έρθει σε ένα σημείο ηρεμίας. Μόλις επιτευχθεί αυτή η χαμηλότερη κβαντομηχανική κατάσταση, μπορούν να ξεκινήσουν περαιτέρω πειράματα.

"Για να δούμε ξεκάθαρα τα κβαντικά φαινόμενα η νανοσφαίρα πρέπει να επιβραδυνθεί... μέχρι την κινητική της βασική κατάσταση", δήλωσε τότε ο ηλεκτρολόγος μηχανικός Felix Tebbenjohanns, από το ETH της Ζυρίχης.

"Αυτό σημαίνει ότι παγώνουμε την ενέργεια κίνησης της σφαίρας σε ένα ελάχιστο που είναι κοντά στην κβαντομηχανική κίνηση μηδενικού σημείου".

Ενώ παρόμοια αποτελέσματα έχουν επιτευχθεί και στο παρελθόν, χρησιμοποίησαν αυτό που είναι γνωστό ως οπτικό αντηχείο για να εξισορροπήσουν αντικείμενα χρησιμοποιώντας φως. Η προσέγγιση που χρησιμοποιήθηκε εδώ προστατεύει καλύτερα τη νανοσφαίρα από διαταραχές και σημαίνει ότι το αντικείμενο μπορεί να εξεταστεί μεμονωμένα μετά την απενεργοποίηση του λέιζερ - αν και αυτό θα απαιτήσει άφθονη περαιτέρω έρευνα για να πραγματοποιηθεί.

Ένας από τους τρόπους με τους οποίους οι ερευνητές ελπίζουν ότι τα ευρήματά τους μπορούν να φανούν χρήσιμα είναι η μελέτη του τρόπου με τον οποίο η κβαντομηχανική κάνει τα στοιχειώδη σωματίδια να συμπεριφέρονται σαν κύματα. Είναι πιθανό ότι υπερευαίσθητες διατάξεις όπως αυτή της νανοσφαίρας θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν στην ανάπτυξη αισθητήρων επόμενης γενιάς πέρα από οτιδήποτε έχουμε σήμερα. Το να καταφέρουμε να αιωρήσουμε μια τόσο μεγάλη σφαίρα σε κρυογενικό περιβάλλον αποτελεί ένα σημαντικό άλμα προς τη μακροσκοπική κλίμακα, όπου μπορεί να μελετηθεί η γραμμή μεταξύ του κλασικού και του κβαντικού.

"Μαζί με το γεγονός ότι το οπτικό δυναμικό παγίδευσης είναι εξαιρετικά ελεγχόμενο, η πειραματική μας πλατφόρμα προσφέρει μια οδό για τη διερεύνηση της κβαντομηχανικής σε μακροσκοπικές κλίμακες", καταλήγουν οι ερευνητές στη δημοσιευμένη εργασία τους.