Nobelova cena Optická pinzeta odhaluje nové stopy k tomu, jak funguje vesmír

Člověk by si mohl myslet, že optická pinzeta - zaostřený laserový paprsek, který dokáže zachytit malé částice - je již starý klobouk. Koneckonců, pinzeta byla vynalezena Arthurem Ashkinem v roce 1970. A ten letos obdržel Nobelovu cenu - pravděpodobně poté, co její hlavní důsledky byly uskutečněny během posledního půlstoletí.

Překvapivě to není zdaleka pravda. Optická pinzeta odhaluje nové možnosti a pomáhá vědcům porozumět kvantové mechanice, teorii, která vysvětluje podstatu subatomárních částic.

Tato teorie vedla k nějakým podivným a protikladným závěrům. Jedním z nich je, že kvantová mechanika umožňuje, aby jeden objekt existoval ve dvou různých stavech reality současně. Například kvantová fyzika umožňuje tělu, aby bylo současně na dvou různých místech ve vesmíru - nebo jak mrtvých, tak živých, jako ve slavném experimentu s myšlenkou Schrödingerovy kočky.

Technický název tohoto fenoménu je superpozice. Superpozice byly pozorovány u drobných předmětů, jako jsou jednotlivé atomy. Ale v každodenním životě nikdy nevidíme superpozici. Ve dvou místech najednou například nevidíme šálek kávy.

Abychom toto vysvětlení vysvětlili, teoretičtí fyzici navrhli, že pro velké objekty - dokonce i pro nanočástice obsahující asi miliardu atomů - se rychle rozpadnou na jednu nebo druhou z těchto dvou možností díky rozpadu standardní kvantové mechaniky. U větších objektů je rychlost zhroucení rychlejší. Pro Schrodingerovu kočku by tento kolaps - „živý“ nebo „mrtvý“ - byl prakticky okamžitý, vysvětlující, proč nikdy nevidíme superpozici kočky ve dvou stavech najednou.

Až donedávna nemohly být tyto „teorie kolapsu“, které by vyžadovaly úpravy kvantové mechaniky učebnic, testovány, protože je těžké připravit velký objekt v superpozici. Je to proto, že větší objekty více ovlivňují své okolí než atomy nebo subatomární částice - což vede k únikům tepla, které ničí kvantové stavy.

Jako fyzici nás zajímají teorie o kolapsu, protože bychom chtěli lépe porozumět kvantové fyzice, a to zejména proto, že existují teoretické náznaky, že kolaps může být způsoben gravitačními účinky. Spojení mezi kvantovou fyzikou a gravitací by bylo zajímavé najít, protože celá fyzika spočívá na těchto dvou teoriích a jejich jednotný popis - takzvaná teorie všeho - je jedním z velkých cílů moderní vědy.

Zadejte optickou pinzetu

Optické pinzety využívají skutečnosti, že světlo může vyvíjet tlak na hmotu. Ačkoliv je radiační tlak dokonce i intenzivního laserového paprsku poměrně malý, Ashkin byl první osobou, která ukázala, že je dostatečně velká, aby podpořila nanočástici, proti gravitaci a účinně ji levitovala.

V roce 2010 si skupina vědců uvědomila, že taková nanočástice, kterou drží optická pinzeta, je dobře izolovaná od svého prostředí, protože není v kontaktu s žádnou hmotnou podporou. V návaznosti na tyto myšlenky několik skupin navrhlo způsoby, jak vytvořit a pozorovat superpozice nanočástic na dvou odlišných prostorových místech.

Zajímavý program, který navrhli skupiny Tongcang Li a Lu Ming Duan v roce 2013, zahrnoval nanodiamondový krystal v pinzetě. Nanočástice nesedí stále uvnitř pinzety. Spíše osciluje jako kyvadlo mezi dvěma místy, přičemž obnovovací síla vychází z tlaku záření způsobeného laserem. Dále tento diamant nanokrystal obsahuje kontaminující atom dusíku, který může být považován za malý magnet, se severním (N) pólem a jižním (S) pólem.

Strategie Li-Duan se skládala ze tří kroků. Nejprve navrhli ochlazení pohybu nanočástic do kvantového základního stavu. Toto je nejnižší energetický stav, jaký tento typ částic může mít. Můžeme očekávat, že se v tomto stavu částice přestane pohybovat a neosciluje vůbec. Kdyby se to však stalo, věděli bychom, kde byla částice (ve středu pinzety), stejně jako jak rychle se pohybovala (vůbec ne). Současné dokonalé poznání jak pozice, tak rychlosti není dovoleno slavným Heisenbergovým principem neurčitosti kvantové fyziky. Tudíž i ve svém nejnižším energetickém stavu se částice pohybuje o něco málo, jen tak, aby vyhovovala zákonům kvantové mechaniky.

Za druhé, schéma Li a Duan vyžadovalo, aby byl magnetický atom dusíku připraven v superpozici jeho severního pólu směřujícího nahoru i dolů.

Nakonec bylo zapotřebí magnetické pole pro spojení atomu dusíku s pohybem levitovaného diamantového krystalu. To by přivedlo magnetickou superpozici atomu na místo superpozice nanokrystalu. Tento přenos je umožněn tím, že atom a nanočástice jsou zapleteny magnetickým polem. Vyskytuje se tak, že superpozice rozpadlého a nerozpadlého radioaktivního vzorku je přeměněna na superpozici Schrodingerovy kočky v mrtvých a živých stavech.

Prokázání teorie kolapsu

To, co dalo této teoretické práci zuby byly dva vzrušující experimentální vývoj. Již v roce 2012 skupiny Lukáše Novotného a Romaina Quidanta ukázaly, že modulací intenzity optické pinzety bylo možné opticky levitovanou nanočástici ochladit na setinu stupně nad absolutní nulu - nejnižší teoreticky možnou teplotu. Účinek byl stejný jako účinek zpomalení dítěte na houpačce tím, že tlačil na správné časy.

V roce 2016 byli stejní výzkumníci schopni vychladnout na deset tisícin stupně nad absolutní nulou. Kolem tohoto času naše skupiny publikovaly dokument, který dokládá, že teplota potřebná pro dosažení kvantového základního stavu tweezové nanočástice byla kolem miliontiny stupně nad absolutní nulou. Tento požadavek je náročný, ale v dosahu probíhajících experimentů.

Druhým vzrušujícím vývojem byla experimentální levitace nanodiamondu nesoucího dusík v roce 2014 ve skupině Nicka Vamivakase. Pomocí magnetického pole byly také schopny dosáhnout fyzického spojení atomu dusíku a pohybu krystalů, který je vyžadován třetím krokem schématu Li-Duan.

Závod je nyní na cestě k pozemnímu stavu, takže - podle plánu Li-Duan - lze pozorovat, že objekt na dvou místech se rozpadne do jednoho celku. Pokud jsou superpozice zničeny rychlostí, kterou předpovídají teorie zhroucení, kvantová mechanika, jak ji známe, bude muset být revidována.

Tento článek byl původně publikován na The Conversation Mishkat Bhattacharya a Nick Vamivakas. Přečtěte si originální článek zde.