Hantel w nanometrowej skali
Badanie przeprowadzono na niezwykle małym układzie: nanocząstce zbudowanej z dwóch kul krzemionkowych o średnicy około 150 nanometrów, tworzących strukturę przypominającą miniaturowy hantel. Obiekt ten został uwięziony w pułapce optycznej, czyli w intensywnym polu laserowym działającym jak niewidzialna sprężyna, która kontroluje zarówno jego położenie, jak i orientację w przestrzeni. W warunkach ultra-wysokiej próżni cząstka jest niemal całkowicie odizolowana od otoczenia, co pozwala badać jej zachowanie z niezwykłą precyzją.
Czytaj też: Mikroskopijny układ kwantowy rozkłada na łopatki klasycznych gigantów. Stara maksyma poszła do kosza
Najbardziej istotnym elementem eksperymentu było zastosowanie zaawansowanej techniki chłodzenia optycznego. Polega ona na tym, że światło laserowe oddziałuje z cząstką w taki sposób, iż pojedyncze fotony zabierają z niej porcje energii. W efekcie ruch obrotowy nanocząstki stopniowo traci energię, aż osiąga stan minimalny, czyli kwantowy stan podstawowy. W tym reżimie energia nie może już zmniejszać się w sposób ciągły, lecz przyjmuje dyskretne wartości wynikające z natury mechaniki kwantowej.
To, co czyni ten eksperyment wyjątkowym, to fakt, że udało się jednocześnie “uspokoić” dwa niezależne kierunki rotacji. Wcześniejsze badania pozwalały osiągnąć taki stan jedynie dla jednego wymiaru obrotu. Teraz po raz pierwszy naukowcy osiągnęli pełną kontrolę nad orientacją obiektu w dwóch osiach, ograniczając jego niepewność do poziomu wyznaczonego przez zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Oznacza to, iż nawet w najniższym możliwym stanie energii cząstka nie ma idealnie określonego kierunku. Innymi słowy, jej orientacja zawsze pozostaje rozmyta na poziomie kwantowym.
Fizycy osiągnęli temperatury bliskie najniższym wartościom w całym wszechświecie
Skala tej precyzji jest trudna do wyobrażenia. W eksperymencie osiągnięto temperatury minimalnie wyższe od zera absolutnego, a więc najniższej wartości spotykanej we wszechświecie. Poza tym, członkowie zespołu ograniczyli drgania końców nanocząstki do odległości mniejszej niż setna część średnicy atomu. To poziom kontroli, który jeszcze niedawno wydawał się poza zasięgiem technologii eksperymentalnej.
Ale nie chodzi wyłącznie o demonstrację kontroli nad ruchem obrotowym. Jednym z najważniejszych kierunków dalszych badań jest interferometria materii związana z rotacją. W świecie kwantowym obiekty mogą istnieć jednocześnie w wielu stanach, na przykład obracać się w różnych kierunkach naraz. Eksperymenty tego typu mogą pozwolić obserwować takie superpozycje w układach coraz większych, zbliżając granicę między światem kwantowym a klasycznym.
Czytaj też: Technologia jak z filmu o Bondzie. Fizyka kwantowa pozwala wykryć czyjąś lokalizację z ogromną dokładnością
Jakby tego było mało, ultrazimne rotujące nanocząstki mogą stać się niezwykle czułymi detektorami momentów sił, czyli odpowiedników sił działających obrotowo. Dzięki temu mogą znaleźć zastosowanie w nowej generacji czujników kwantowych, zdolnych do wykrywania ekstremalnie subtelnych efektów fizycznych, których nie da się zaobserwować innymi metodami. Najbardziej intrygujące są jednak potencjalne implikacje dla fundamentalnej fizyki. Układy tego typu mogą posłużyć jako platforma do testowania teorii wykraczających poza standardowy opis rzeczywistości, w tym koncepcji zakładających istnienie dodatkowych wymiarów przestrzennych.
Źródło: Nature Physics
