Ang Nobel Prize Optical Tweezer ay nagbubukas ng mga Bagong Clue sa Paano Gumagana ang Uniberso

Ang isa ay maaaring isipin na ang optical tweezer - isang nakapokus laser beam na maaaring bitag maliit na particle - ay lumang sumbrero sa pamamagitan ng ngayon. Matapos ang lahat, ang tweezer ay imbento ni Arthur Ashkin noong 1970. At natanggap niya ang Nobel Prize para sa taon na ito - siguro matapos ang mga pangunahing implikasyon nito ay natanto sa huling kalahating siglo.

Kahanga-hanga, malayo ito sa totoo. Ang optical tweezer ay nagbubunyag ng mga bagong kakayahan habang tinutulungan ang mga siyentipiko na maunawaan ang mekanika ng quantum, ang teorya na nagpapaliwanag sa kalikasan sa mga tuntunin ng mga particle na subatomiko.

Ang teorya na ito ay humantong sa ilang mga kakaiba at counterintuitive konklusyon. Ang isa sa kanila ay ang mekanika ng quantum na nagbibigay-daan para sa isang bagay na umiiral sa dalawang magkakaibang estado ng katotohanan sa parehong oras. Halimbawa, ang pisika ng quantum ay nagpapahintulot sa isang katawan na maging sa dalawang magkakaibang lokasyon sa espasyo nang sabay-sabay - o parehong patay at buhay, tulad ng sa kilalang pag-iisip na eksperimento ng pusa ni Schrödinger.

Ang teknikal na pangalan para sa hindi pangkaraniwang bagay na ito ay superposisyon. Ang mga sobrang sobra ay naobserbahan para sa maliliit na bagay tulad ng mga solong atom. Ngunit malinaw, hindi natin nakikita ang isang superposisyon sa ating pang-araw-araw na buhay. Halimbawa, hindi namin nakikita ang isang tasa ng kape sa dalawang lokasyon sa parehong oras.

Upang ipaliwanag ang pagmamasid na ito, ang mga teoretikal na pisiko ay nagmungkahi na para sa mga malalaking bagay - kahit na para sa mga nanoparticle na naglalaman ng mga isang bilyong mga atomo -ang pagbagsak ng mabilis sa isa o sa isa pa sa dalawang posibilidad, dahil sa isang pagkasira ng karaniwang mekanika ng kabuuan. Para sa mas malalaking bagay, mas mabilis ang pagbagsak ng rate. Para sa pusa ni Schrodinger, ang pagbagsak na ito - sa "buhay" o "patay" - ay halos madalian, na nagpapaliwanag kung bakit hindi natin nakikita ang superposisyon ng isang pusa na nasa dalawang estado nang sabay-sabay.

Hanggang kamakailan lamang, ang mga "teorya ng pagbagsak," na nangangailangan ng mga pagbabago sa mga mekanika ng quantum na aklat-aralin, ay hindi masuri, dahil mahirap na maghanda ng isang malaking bagay sa isang superposisyon. Ito ay dahil mas malaki ang mga bagay na nakikipag-ugnayan sa kanilang mga kapaligiran kaysa sa mga atom o subatomic na mga particle - na humahantong sa paglabas sa init na sumisira sa mga estado ng kabuuan.

Bilang mga pisiko, interesado kami sa pagbagsak ng mga teorya dahil nais naming maunawaan ang mas mahusay na physics ng quantum, at partikular dahil may mga teoretikal na indikasyon na ang pagbagsak ay maaaring dahil sa mga epekto ng gravitational. Ang isang koneksyon sa pagitan ng quantum physics at gravity ay kapana-panabik na mahanap dahil ang lahat ng pisika ay nakasalalay sa dalawang teoryang ito, at ang kanilang pinag-isang paglalarawan - ang tinatawag na Teorya ng Lahat - ay isa sa mga dakilang layunin ng modernong agham.

Ipasok ang Optical Tweezer

Pinagsasamantalahan ng mga teyper na pang-optiko ang katotohanan na ang liwanag ay maaaring magpipilit sa bagay. Kahit na ang presyon ng radiation mula sa kahit na isang matinding laser beam ay medyo maliit, Ashkin ay ang unang tao upang ipakita na ito ay sapat na malaki upang suportahan ang isang nanoparticle, countering gravity, epektibong levitating ito.

Noong 2010 isang grupo ng mga mananaliksik na natanto na ang gayong nanoparticle na hawak ng isang optic tweezer ay mahusay na nakahiwalay sa kapaligiran nito dahil hindi ito nakikipag-ugnay sa anumang materyal na suporta. Kasunod ng mga ideyang ito, maraming mga grupo ang nagsisiyasat ng mga paraan upang lumikha at magmasid ng mga superposisyon ng isang nanoparticle sa dalawang magkakaibang spatial na lokasyon.

Ang isang nakakaintriga na pamamaraan na iminungkahi ng mga grupo ng Tongcang Li at Lu Ming Duan noong 2013 ay kasangkot ang isang nanodiamond na kristal sa isang tweezer. Ang nanoparticle ay hindi umupo pa rin sa loob ng tweezer. Sa halip, ito ay nakapagpapakilig tulad ng isang palawit sa pagitan ng dalawang mga lokasyon, na may pagpapanumbalik na puwersa na nagmumula sa presyon ng radyasyon dahil sa laser. Dagdag pa, ang nanokyo na ito ng brilyante ay naglalaman ng isang contaminating nitrogen atom, na maaaring iisipin bilang isang maliit na magneto, na may hilaga (N) na poste at isang timog (S) poste.

Ang diskarte ng Li-Duan ay binubuo ng tatlong hakbang. Una, iminungkahi nila ang paglamig ng paggalaw ng nanoparticle sa estado ng kabuuan ng kabuuan nito. Ito ang pinakamababang estado ng enerhiya na maaaring magkaroon ng ganitong uri ng butil. Maaari naming asahan na sa ganitong kalagayan ang maliit na butil ay humihinto sa paglilibot at hindi nag-iilaw sa lahat. Gayunpaman, kung nangyari iyan, malalaman namin kung saan ang particle ay (sa gitna ng tweezer), pati na rin kung gaano kabilis ito ay gumagalaw (hindi naman lahat). Ngunit ang sabay-sabay perpektong kaalaman ng parehong posisyon at bilis ay hindi pinahihintulutan ng sikat na prinsipyo ng hindi tiyak na Heisenberg ng quantum physics. Kaya, kahit na sa pinakamababang estado ng enerhiya nito, ang maliit na butil ay gumagalaw nang kaunti, sapat lamang upang masiyahan ang mga batas ng mekanika ng quantum.

Ikalawa, hiniling ng scheme ng Li at Duan na ang atomikong magnetic nitrogen ay ihanda sa isang superposisyon ng hilagang pol nito na nakaturo pati na rin pababa.

Sa wakas, isang magnetic field ang kailangan upang iugnay ang atom ng nitrogen sa galaw ng levitated diamond crystal. Ito ay ilipat ang magnetic superposition ng atom sa superposition ng lokasyon ng nanocrystal. Ang paglipat na ito ay pinagana sa pamamagitan ng ang katunayan na ang atom at ang nanoparticle ay naliligiran ng magnetic field. Ito ay nangyayari sa parehong paraan na ang superposisyon ng decayed at hindi-bulok radioactive sample ay na-convert sa superposisyon ng Schrodinger ng pusa sa patay at buhay na estado.

Pagpapatunay ng Tiklupin Teorya

Ano ang nagbigay ng teoretikong mga ngipin sa trabaho ay dalawang kapana-panabik na pang-eksperimentong mga pagpapaunlad. Na sa 2012 ang mga grupo ng Lukas Novotny at Romain Quidant ay nagpakita na posible na palamig ang isang optically levitated nanoparticle sa isang daang ng isang degree sa itaas absolute zero - ang pinakamababang temperatura teoretically posible - sa pamamagitan ng modulating ang intensity ng salamin sa mata tweezer. Ang epekto ay katulad ng pagbagal ng isang bata sa isang swing sa pamamagitan ng pagtulak sa tamang panahon.

Noong 2016, ang parehong mga mananaliksik ay nakapagpalamig sa isang sampung-ikasanlibo ng isang degree sa itaas absolute zero. Sa paligid ng oras na ito ang aming mga pangkat-publish ng isang papel na pagtaguyod na ang temperatura na kinakailangan para sa pag-abot sa kabuuan ng estado ng estado ng isang tweezed nanoparticle ay sa paligid ng isang milyong ng isang degree sa itaas absolute zero. Hinahamon ang hinihiling na ito, ngunit sa abot ng mga umiiral nang eksperimento.

Ang ikalawang kapana-panabik na pag-unlad ay ang experimental levitation ng nitrogen-defect-dala nanodiamond sa 2014 sa Nick Vamivakas's group. Gamit ang isang magnetic field, nakuha rin nila ang pisikal na pagkabit ng atom ng nitrogen at ang paggalaw ng kristal na kinakailangan ng ikatlong hakbang ng pamamaraan ng Li-Duan.

Ang lahi ay naroroon ngayon upang maabot ang estado ng lupa upang - ayon sa plano ng Li-Duan - ang isang bagay sa dalawang lokasyon ay maaaring maobserbahan na bumagsak sa isang solong entity. Kung ang mga superposisyon ay nawasak sa rate na hinulaang ng mga teorya ng pagbagsak, ang mekanika ng quantum na alam natin na dapat itong baguhin.

Ang artikulong ito ay orihinal na na-publish sa The Conversation ni Mishkat Bhattacharya at Nick Vamivakas. Basahin ang orihinal na artikulo dito.