Naučnici zamrzavaju kvantno kretanje bez hlađenja – kvantna čistoća na sobnoj temperaturi

Istraživači sa Tehničkog univerziteta u Cirihu (ETHZ) levitirali su sferu nanostakla sa rekordnom kvantnom čistoćom na sobnoj temperaturi, izbegavajući skupo hlađenje.

Pomoću optičkih hvataljki, izolovali su kvantno kretanje na nultoj tački, utirući put budućim kvantnim senzorima u navigaciji, medicini i fundamentalnoj fizici.

Preporučujemo

Koje su granice kvantne fizike? To pitanje se istražuje decenijama širom sveta. Ako želimo da svojstva kvantnog sveta budu tehnički upotrebljiva, moramo razumeti da li objekti znatno veći od atoma i molekula takođe mogu ispoljavati kvantne fenomene.

Na primer, male staklene sfere čiji prečnik je stotinu nanometara mogu biti ispitane – više od hiljadu puta manje nego zrno peska, ali ogromno po kvantnim merilima. Godinama su činjeni pokušaji da se pokaže obim u kojem takve sfere i dalje ispoljavaju kvantna svojstva.

Istraživači su sad napravili korak napred: uspeli su da pokažu da se rotacione vibracije takvih čestica ponašaju u skladu sa kvantnom fizikom, ne samo kad su ohlađene skoro do apsolutne nule putem složenih metoda hlađenja, već i na sobnoj temperaturi.

„Mikroskopska čestica će uvek malo podrhtavati. Ovo osciliranje zavisi od temperature i načina uticaja sredine na česticu“, kažu naučnici.

U svakodnevnom životu, pretpostavljamo da je bilo koja vrsta oscilacije moguća. Klatno sata može se njihati u svakom uglu i može oscilirati jače ili slabije – kako želite. U kvantnom svetu, pak, nije tako: ako pogledate oscilacije sa vrlo niskom energijom, videćete da postoje vrlo određene „veličine oscilacije“.

Postoji minimalna vibracija, poznata kao „osnovno stanje“, malo veća vibracija sa malo više energije (prvo pobuđeno stanje) itd. Ne postoji stanje između njih, ali čestica može postojati u kvantnoj fizičkoj kombinaciji različitih vibracionih stanja, što je jedna od centralnih ideja kvantne fizike.

„Vrlo je teško dovesti nanočesticu u stanje kad njena kvantna svojstva postaju vidna. Čestica mora da pluta kako biste je što više izolovali od bilo koje interferencije. I obično morate obezbediti ekstremno niske temperature, blizu apsolutne nule (-273,15 stepeni Celzijusovih)“, kažu naučnici.

Rotacija zamrznuta, čestica vruća

ETHZ i Tehnički univerzitet u Beču su razvili tehniku koja omogućava da vrlo specifičan aspekt nanočestice bude doveden u kvantno fizičko stanje, iako je sama čestica u vrelom, neuređenom stanju.

„Koristimo nanočesticu koja nije savršeno okrugla, već malo eliptična. Kad držite takvu česticu u elektromagnetnom polju, ona počinje da rotira. Naše pitanje je bilo: Možemo li videti kvantna svojstva ove rotacione vibracije? Možemo li ekstrahovati energiju iz ovog rotacionog kretanja dok ne bude uglavnom u kvantnom osnovnom stanju?“, kažu istraživači.

Laserski snopovi i sistemi ogledala su upotrebljeni u tom cilju. Laser može ili dati energiju nanočestici ili joj uzeti energiju. Podešavajući ogledala na odgovarajući način, može se osigurati da energija bude ekstrahovana sa velikom verovatnoćom i dodata sa malom verovatnoćom. Energija rotacionog kretanja se tako smanjuje dok ne stignemo do kvantnog osnovnog stanja, objašnjavaju naučnici.

Radi toga, međutim, trebalo je rešiti jedan broj teških teorijskih problema – kvantni šum lasera trebalo je pravilno razumeti i kontrolisati.

Rekordna kvantna čistoća

Konačno, bilo je zaista moguće demonstrirati da rotacija može biti dovedena u stanje koje odgovara skoro sasvim kvantnom mehaničkom osnovnom stanju. Izuzetno je to što se nanočestica nije ohladila – naprotiv, nekoliko stotina stepeni je vruća.

„Morate uzeti u obzir različite stepene slobode posebno. To omogućava energiji rotacionog kretanja da se smanji veoma efikasno bez smanjivanja interne toplotne energije nanočestice u isto vreme. Zapanjujuće, rotacija može da se zamrzne, tako reći, iako sama čestica ima visoku temperaturu“, objašnjavaju naučnici.

Ovo je omogućilo da se kreira stanje koje je značajno „čistije“ u smislu kvantne fizike nego što je ranije bilo moguće sa sličnim česticama, iako hlađenje nije bilo potrebno.

„Ovo je tehnički zapanjujuće praktičan način pomeranja granica kvantne fizike. Sad možemo izučavati kvantne osobine objekata na stabilan i pouzdan način, što je ranije bilo teško moguće“, kažu istraživači.

(Telegraf Nauka/Science Daily)