Оптический пинцет Нобелевской премии раскрывает новые ключи к тому, как работает Вселенная

Кто-то может подумать, что оптический пинцет - сфокусированный лазерный луч, который может улавливать мелкие частицы - уже давно устарел. В конце концов, пинцет был изобретен Артуром Эшкиным в 1970 году. И он получил Нобелевскую премию за этот год - вероятно, после того, как его основные последствия были реализованы в течение последних полувека.

Удивительно, но это далеко не так. Оптический пинцет открывает новые возможности, помогая ученым понять квантовую механику, теорию, которая объясняет природу в терминах субатомных частиц.

Эта теория привела к некоторым странным и нелогичным выводам. Одним из них является то, что квантовая механика позволяет одному объекту существовать в двух разных состояниях реальности одновременно. Например, квантовая физика позволяет телу находиться в двух разных местах в пространстве одновременно - или одновременно мертвым и живым, как в знаменитом мысленном эксперименте с котом Шредингера.

Техническое название этого явления - суперпозиция. Суперпозиции были обнаружены для крошечных объектов, таких как отдельные атомы. Но ясно, что мы никогда не видим суперпозиции в нашей повседневной жизни. Например, мы не видим чашку кофе в двух местах одновременно.

Чтобы объяснить это наблюдение, физики-теоретики предположили, что для больших объектов - даже для наночастиц, содержащих около миллиарда атомов - суперпозиции быстро разрушаются в одну или другую из двух возможностей из-за нарушения стандартной квантовой механики. Для более крупных объектов скорость разрушения выше. Для кота Шредингера этот коллапс - «живым» или «мертвым» - будет практически мгновенным, объясняя, почему мы никогда не видим суперпозиции кошки, находящейся в двух состояниях одновременно.

До недавнего времени эти «теории коллапса», которые требовали бы модификаций квантовой механики из учебника, не могли быть проверены, так как трудно подготовить большой объект в суперпозиции. Это связано с тем, что более крупные объекты взаимодействуют с окружающей средой больше, чем атомы или субатомные частицы, что приводит к утечкам тепла, разрушающим квантовые состояния.

Как физики, мы заинтересованы в теориях коллапса, потому что мы хотели бы лучше понять квантовую физику, а именно потому, что есть теоретические признаки того, что коллапс может быть вызван гравитационными эффектами. Было бы интересно найти связь между квантовой физикой и гравитацией, поскольку вся физика основывается на этих двух теориях, и их унифицированное описание - так называемая теория всего - является одной из великих целей современной науки.

Введите оптический пинцет

Оптический пинцет использует тот факт, что свет может оказывать давление на вещество. Хотя давление излучения даже от интенсивного лазерного луча довольно мало, Эшкин был первым, кто показал, что он достаточно велик, чтобы поддерживать наночастицу, противодействующую гравитации, эффективно поднимая ее.

В 2010 году группа исследователей поняла, что такая наночастица, удерживаемая оптическим пинцетом, была хорошо изолирована от окружающей среды, поскольку не имела контакта с какой-либо материальной поддержкой. Следуя этим идеям, несколько групп предложили способы создания и наблюдения суперпозиции наночастиц в двух разных пространственных положениях.

Интригующая схема, предложенная группами Tongcang Li и Lu Ming Duan в 2013 году, включала кристалл наноалмаза в пинцете. Наночастица не сидит на месте внутри пинцета. Скорее, он колеблется как маятник между двумя точками, а восстанавливающая сила исходит от давления излучения, создаваемого лазером. Кроме того, этот алмазный нанокристалл содержит загрязняющий атом азота, который можно рассматривать как крошечный магнит с северным (N) полюсом и южным (S) полюсом.

Стратегия Ли-Дуань состояла из трех шагов. Во-первых, они предложили охлаждение движения наночастицы до ее квантового основного состояния. Это самое низкое энергетическое состояние, которое может иметь этот тип частиц. Можно ожидать, что в этом состоянии частица перестает двигаться и вообще не колеблется. Однако, если бы это произошло, мы бы знали, где находится частица (в центре пинцета), а также насколько быстро она движется (совсем нет). Но одновременное совершенное знание положения и скорости не допускается известным принципом неопределенности Гейзенберга в квантовой физике. Таким образом, даже в самом низком энергетическом состоянии частица движется немного, достаточно, чтобы удовлетворить законы квантовой механики.

Во-вторых, схема Ли и Дуана требовала, чтобы магнитный атом азота был подготовлен в суперпозиции его северного полюса, направленного как вверх, так и вниз.

Наконец, магнитное поле было необходимо, чтобы связать атом азота с движением левитированного кристалла алмаза. Это перенесет магнитную суперпозицию атома в локализацию суперпозиции нанокристалла. Этот перенос обеспечивается тем, что атом и наночастица запутаны магнитным полем. Это происходит так же, как суперпозиция распавшегося и не распавшегося радиоактивного образца преобразуется в суперпозицию кота Шредингера в мертвом и живом состояниях.

Доказательство теории коллапса

То, что дало этой теоретической работе зубы, было двумя захватывающими экспериментальными разработками. Уже в 2012 году группы Lukas Novotny и Romain Quidant показали, что было возможно охлаждать оптически левитированную наночастицу до сотых долей градуса выше абсолютного нуля - самой низкой теоретически возможной температуры - путем модуляции интенсивности оптического пинцета. Эффект был таким же, как эффект замедления ребенка на качелях, толкая в нужное время.

В 2016 году те же исследователи смогли охладиться до десятитысячной степени выше абсолютного нуля. Примерно в это же время наши группы опубликовали статью, в которой установлено, что температура, необходимая для достижения квантового основного состояния извитой наночастицы, была примерно на миллионную часть градуса выше абсолютного нуля. Это требование является сложным, но в пределах досягаемости текущих экспериментов.

Вторым впечатляющим событием стала экспериментальная левитация наноалмаза, несущего дефекты азота, в 2014 году в группе Ника Вамивакаса. Используя магнитное поле, они также смогли достичь физического взаимодействия атома азота и движения кристалла, требуемого на третьем этапе схемы Ли-Дуаня.

Теперь гонка достигает основного состояния, так что, согласно плану Ли-Дуаня, можно наблюдать, как объект в двух местах сворачивается в одно целое. Если суперпозиции разрушаются со скоростью, предсказанной теориями коллапса, квантовая механика, как мы ее знаем, должна быть пересмотрена.

Эта статья была первоначально опубликована в «Беседе» Мишкатом Бхаттачарьей и Ником Вамивакасом. Прочитайте оригинальную статью здесь.