Nowy rekord bez zamrażania i przebieg eksperymentów
Publikacja w Nature Physics pokazuje, że stan kwantowy o minimalnej populacji fononów równej 0,04 kwanta udało się uzyskać bez kriogenicznych instalacji. Paradoksalnie, wewnętrzna temperatura samej cząstki sięgała setek stopni Celsjusza. Wcześniejsze próby z lewitującymi nanocząstkami przy zwykłej temperaturze nie przekraczały 47% czystości. Dla układów mechanicznie mocowanych wynik był jeszcze niższy, bo wynosił około 34%. Co ciekawe, nowe osiągnięcie przebija nawet część eksperymentów prowadzonych w kriogenicznych warunkach. Pokazuje to, o jak rewolucyjnych dokonaniach fizyków jest mowa.
Czytaj też: Kryształ czasu z gigantycznych atomów. Nowy stan materii stworzony przez naukowców
Kluczem do sukcesu okazała się zmiana strategii. Zamiast marnować energię na chłodzenie całej nanocząstki, naukowcy wyizolowali jej ruch obrotowy. Użyli lekko wydłużonej nanocząstki krzemionkowej, której asymetria umożliwiła precyzyjną kontrolę nad drganiami kątowymi. Ten wybrany tryb udało się wychłodzić osobno, ignorując inne formy energii. Cały trik polegał na mistrzowskim opanowaniu światła. Badacze zbudowali specjalną wnękę optyczną z precyzyjnie ustawionymi laserami i lustrami, które wyciągały energię rotacyjną z cząstki. Największym wyzwaniem było stłumienie szumu fazowego lasera o około 20 decybeli. Bez tego nawet mikroskopijne fluktuacje zniszczyłyby kruchy stan kwantowy. Dopiero przekroczenie tej bariery pozwoliło dotknąć teoretycznej granicy precyzji pomiarów. Do utrzymania pojedynczej nanocząstki w miejscu posłużyły szczypce optyczne. Układ o mocy 1,2 W pracował przy długości fali 1550 nm z aperturą numeryczną 0,75. Eksperyment odbywał się w komorze próżniowej pod ciśnieniem 5 × 10⁻⁹ milibara, co eliminowało zakłócenia ze strony cząsteczek powietrza.
Co to zmienia w praktyce?
Niewątpliwy sukces naukowców stojących za nowymi doniesieniami powinien otworzyć drzwi do badań nad kwantowymi efektami w obiektach makroskopowych bez inwestycji w gigantyczne zamrażarki. Szczególnie istotne dla biologii będzie to z punktu widzenia biologii, ponieważ żywe struktury zwykle nie przetrwałyby w kriogenicznych temperaturach. Możliwość obserwacji zjawisk kwantowych w warunkach zbliżonych do naturalnych może przynieść przełom w rozumieniu procesów życiowych. Uzyskana częstotliwość ruchu w zakresie megaherców umożliwia potencjalne sprzężenie z innymi układami kwantowymi, jak pułapkowane jony.
Ruch obrotowy ujawnia też unikalne zjawiska bez odpowiedników w dynamice liniowej, w tym kwantowo-trwałe przerzuty orientacyjne. Czy to rewolucja? Nie ma co jej ogłaszać bez dalszych potwierdzeń, ale nie ma wątpliwości, że 92% czystości to świetny wynik. Wyzwaniem będzie teraz wyjście z nim poza ściany laboratorium. Z drugiej strony, sam fakt, że tak wysoki wskaźnik osiągnięto w “zwyczajnej” temperaturze, sugeruje, że drogie kriogeniczne instalacje mogą nie być już niezbędne do pewnych badań. To jak znalezienie skrótu przez góry: jeszcze nie meta, ale już widok z trasy zapiera dech w piersiach.