Nobelprijs Optical Tweezer onthult nieuwe aanwijzingen voor hoe het universum werkt

Je zou kunnen denken dat de optische pincet - een gefocusseerde laserstraal die kleine deeltjes kan vangen - nu een oude hoed is. De pincet is immers in 1970 uitgevonden door Arthur Ashkin. En hij ontving dit jaar de Nobelprijs - vermoedelijk nadat de belangrijkste implicaties in de afgelopen halve eeuw waren gerealiseerd.

Verbazingwekkend genoeg is dit verre van waar. De optische pincet onthult nieuwe mogelijkheden en helpt wetenschappers de kwantummechanica te begrijpen, de theorie die de natuur verklaart in termen van subatomaire deeltjes.

Deze theorie heeft geleid tot enkele rare en contra-intuïtieve conclusies. Een ervan is dat de kwantummechanica het mogelijk maakt dat een enkel object tegelijkertijd in twee verschillende toestanden van de werkelijkheid bestaat. De kwantumfysica laten bijvoorbeeld toe dat een lichaam tegelijkertijd op twee verschillende locaties in de ruimte is - of zowel dood als levend, zoals in het beroemde gedachte-experiment van de kat van Schrödinger.

De technische naam voor dit fenomeen is superpositie. Er zijn superposities waargenomen voor kleine objecten zoals enkele atomen. Maar duidelijk, we zien nooit een superpositie in ons dagelijks leven. We zien bijvoorbeeld geen kopje koffie op twee locaties tegelijkertijd.

Om deze observatie te verklaren, hebben theoretische fysici gesuggereerd dat voor grote objecten - zelfs voor nanodeeltjes die ongeveer een miljard atomen bevatten - opvallende posities snel samenvallen met de ene of de andere van de twee mogelijkheden, vanwege een storing in de standaard kwantummechanica. Voor grotere objecten is de snelheid van inklappen sneller. Voor de kat van Schrodinger zou deze ineenstorting - om 'levend' of 'dood' te zijn - vrijwel ogenblikkelijk zijn, verklarend waarom we nooit de superpositie van een kat in twee toestanden tegelijkertijd zien.

Tot voor kort konden deze 'inklaptheorieën', die wijzigingen in de quantummechanica van het handboek vereisen, niet worden getest, omdat het moeilijk is om een ​​groot object in een superpositie te prepareren. Dit komt omdat grotere objecten meer interageren met hun omgeving dan atomen of subatomaire deeltjes - wat leidt tot lekken in warmte die kwantumtoestanden vernietigt.

Als natuurkundigen zijn we geïnteresseerd in theorieën die samenvallen, omdat we de kwantumfysica beter willen begrijpen, en met name omdat er theoretische aanwijzingen zijn dat de ineenstorting te wijten kan zijn aan gravitatie-effecten. Een verband tussen de kwantumfysica en de zwaartekracht zou opwindend zijn om te vinden, omdat de hele natuurkunde op deze twee theorieën berust en hun uniforme beschrijving - de zogenaamde Theorie van Alles - een van de grote doelen van de moderne wetenschap is.

Betreed de optische tweezer

Optische pincetten maken gebruik van het feit dat licht druk op materie kan uitoefenen. Hoewel de stralingsdruk van zelfs een intense laserstraal vrij klein is, was Ashkin de eerste die liet zien dat hij groot genoeg was om een ​​nanodeeltje te ondersteunen, de zwaartekracht tegen te gaan en het effectief te laten zweven.

In 2010 ontdekte een groep onderzoekers dat zo'n nanodeeltje, dat wordt vastgehouden door een optische pincet, goed geïsoleerd was van zijn omgeving omdat het niet in contact stond met enige materiële ondersteuning. Volgend op deze ideeën, stelden verschillende groepen manieren voor om superposities van een nanodeeltje te creëren en te observeren op twee verschillende ruimtelijke locaties.

Een intrigerend schema voorgesteld door de groepen Tongcang Li en Lu Ming Duan in 2013 betrof een nanodiamond kristal in een pincet. Het nanodeeltje zit niet stil in de pincet. Integendeel, het oscilleert als een slinger tussen twee locaties, waarbij de herstelkracht afkomstig is van de stralingsdruk als gevolg van de laser. Verder bevat dit diamanten nanokristal een verontreinigend stikstofatoom, dat kan worden beschouwd als een kleine magneet, met een noordpool (N) en een zuidpool (S).

De Li-Duan-strategie bestond uit drie stappen. Ten eerste stelden ze voor om de beweging van het nanodeeltje af te koelen naar de kwantumgrondtoestand. Dit is de laagste energietoestand die dit type deeltje kan hebben. We kunnen verwachten dat in deze staat het deeltje stopt met bewegen en helemaal niet oscilleert. Als dat echter zou gebeuren, zouden we weten waar het deeltje zich bevond (in het midden van de pincet), en ook hoe snel het was (helemaal niet). Maar gelijktijdige perfecte kennis van zowel positie als snelheid wordt niet toegestaan ​​door het beroemde onzekerheidsprincipe van de kwantumfysica van Heisenberg. Dus, zelfs in de laagste energietoestand, beweegt het deeltje een klein beetje, net genoeg om te voldoen aan de wetten van de kwantummechanica.

Ten tweede moesten volgens het Li- en Duan-plan het magnetische stikstofatoom worden voorbereid in een superpositie van de noordpool, zowel omhoog als omlaag.

Ten slotte was er een magnetisch veld nodig om het stikstofatoom te koppelen aan de beweging van het zweefde diamantkristal. Dit zou de magnetische superpositie van het atoom overbrengen naar de superpositie van het nanokristal. Deze overdracht wordt mogelijk gemaakt door het feit dat het atoom en het nanodeeltje verstrengeld zijn door het magnetische veld. Het gebeurt op dezelfde manier dat de superpositie van het vervallen en niet-vervallen radioactieve monster wordt omgezet in de superpositie van Schrodinger's kat in dode en levende toestanden.

Bewijs de Collapse-theorie

Wat deze theoretische werktanden opleverde, waren twee opwindende experimentele ontwikkelingen. Al in 2012 toonden de groepen van Lukas Novotny en Romain Quidant aan dat het mogelijk was om een ​​optisch zwevend nanodeeltje tot een honderdste van een graad boven het absolute nulpunt te koelen - de laagste theoretisch mogelijke laagste temperatuur - door de intensiteit van de optische pincet te moduleren. Het effect was hetzelfde als dat van het vertragen van een kind op een schommel door op de juiste momenten te duwen.

In 2016 konden dezelfde onderzoekers afkoelen tot tienduizendste graad boven het absolute nulpunt. Rond deze tijd publiceerden onze groepen een paper waarin werd vastgesteld dat de temperatuur die nodig was om de kwantumgrondtoestand van een gefineerd nanodeeltje te bereiken ongeveer een miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt lag. Deze vereiste is een uitdaging, maar binnen het bereik van voortdurende experimenten.

De tweede opwindende ontwikkeling was de experimentele levitatie van een stikstofdefect-dragende nanodiamant in 2014 in de groep van Nick Vamivakas. Met behulp van een magnetisch veld konden ze ook de fysieke koppeling van het stikstofatoom en de kristalbeweging realiseren die vereist is in de derde stap van het Li-Duan-schema.

De race is nu op weg om de grondtoestand te bereiken, zodat - volgens het Li-Duan-plan - een object op twee locaties waargenomen kan worden dat ineen stort in een enkele entiteit. Als de superposities vernietigd worden volgens de snelheid die voorspeld wordt door de ineenstortingstheorieën, zal de kwantummechanica zoals wij die nu kennen herzien moeten worden.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation door Mishkat Bhattacharya en Nick Vamivakas. Lees hier het originele artikel.