Mechanika kwantowa od ponad stu lat pozostaje jednym z fundamentów współczesnej fizyki. Pozwala opisywać zachowanie atomów i cząstek elementarnych, ale jej zastosowanie do obiektów widocznych gołym okiem wciąż stanowi poważne wyzwanie. Naukowcy z Okinawa Institute of Science and Technology postanowili przyjrzeć się temu problemowi z nietypowej perspektywy. Zamiast stopniowo zwiększać rozmiary badanych obiektów, wykorzystali stosunkowo duży diament i sprawdzili, czy można poruszyć go za pomocą siły wynikającej ze zjawisk kwantowych.
Czytaj też: Alternatywny diament wprost z laboratorium. Nigdy przedtem nie udało się uzyskać takiego materiału
W centrum eksperymentu znalazł się diament o szerokości około jednego centymetra, ważący 128 miligramów. Jego struktura zawiera miliardy tzw. centrów azotowo-wakansowych. Są to defekty sieci krystalicznej, w których atom azotu zastępuje atom węgla, a w sąsiednim miejscu brakuje kolejnego atomu węgla. Takie niedoskonałości mogą pełnić funkcję niezwykle małych, kontrolowalnych układów magnetycznych. Ich właściwości zależą między innymi od spinu elektronów, czyli jednej z fundamentalnych cech kwantowych cząstek.
Członkowie zespołu badawczego wykorzystali impulsy zielonego lasera o mocy 50 miliwatów, aby przygotować wspomniane centra w określonym stanie spinowym. Zmiana ich właściwości wpływała na siłę magnetyczną działającą na diament, powodując jego ruch w kierunku pobliskiego magnesu. Samo wykrycie tak niewielkiego przemieszczenia wymagało wyjątkowo precyzyjnych pomiarów. Diament połączyli włóknem węglowym z lewitującą płytką grafitową wyposażoną w lustro. Interferometr analizował odbite światło i pozwalał śledzić zmiany położenia z precyzją pikometrową, czyli na poziomie jednej bilionowej części metra.
Wyniki pokazały, że zmiana stanu spinowego może wywołać przemieszczenie rzędu ponad 100 nanometrów. To bardzo niewielka odległość w codziennej skali, lecz istotny rezultat w eksperymentach badających wpływ zjawisk kwantowych na obiekty o tak dużej masie. A przecież cały eksperyment przywołuje słynny paradoks kota Schrödingera z 1935 roku. W tym myślowym eksperymencie los kota zostaje powiązany ze zdarzeniem kwantowym. Dopóki układ nie będzie zmierzony, jego opis obejmuje superpozycję różnych możliwości. Stąd obraz kota będącego jednocześnie żywym i martwym.
Badacze z OIST nie stworzyli jednak takiego stanu. Diament poruszał się w sposób zgodny z fizyką klasyczną, ale przyczyną zaobserwowanego ruchu była siła związana z kwantowymi właściwościami elektronów. To istotne rozróżnienie: wystąpił makroskopowy skutek działania siły kwantowej, jednak to wciąż nie superpozycja całego obiektu. Dlaczego to ważne? Jednym z największych wyzwań współczesnej fizyki jest zrozumienie, jak mechanika kwantowa łączy się z grawitacją opisywaną przez ogólną teorię względności. Duże obiekty trudno odizolować od ciepła, drgań i innych zakłóceń, które mogą niszczyć delikatne stany kwantowe.
Czytaj też: Ograniczenia prędkości ich nie obowiązują. Fizycy poznali nieznany aspekt nadprzewodników
Jak podkreślają sami zainteresowani, opracowana przez nich metoda może w przyszłości pomóc w przygotowywaniu większych obiektów do eksperymentów z superpozycją kwantową. Potencjalne zastosowania obejmują również rozwój niezwykle dokładnych czujników, które mogłyby wspierać poszukiwania ciemnej materii czy badania fal grawitacyjnych.
Źródło: Science Advances
