Je zou kunnen denken dat de optische pincet – een gefocusseerde laserstraal die kleine deeltjes kan opvangen – inmiddels ouderwets is. Ten slotte, het pincet werd in 1970 uitgevonden door Arthur Ashkin. En hij ontving er dit jaar de Nobelprijs voor - vermoedelijk nadat de belangrijkste implicaties ervan in de afgelopen halve eeuw waren gerealiseerd.

wonderbaarlijk, dit is verre van waar. Het 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 een aantal vreemde en contra-intuïtieve conclusies. Een daarvan is dat de kwantummechanica het mogelijk maakt dat een enkel object tegelijkertijd in twee verschillende toestanden van de werkelijkheid bestaat. Bijvoorbeeld, kwantumfysica maakt het mogelijk dat een lichaam tegelijkertijd op twee verschillende locaties in de ruimte is - of zowel dood als levend, zoals in het beroemde gedachte-experiment van Schrödingers kat.

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

Om deze waarneming te verklaren, theoretische fysici hebben gesuggereerd dat voor grote objecten - zelfs voor nanodeeltjes met ongeveer een miljard atomen - superposities snel instorten tot een van de twee mogelijkheden, als gevolg van een storing van de standaard kwantummechanica. Voor grotere objecten is de instortingssnelheid sneller. Voor de kat van Schrödinger, deze ineenstorting - naar "levend" of "dood" - zou praktisch onmiddellijk zijn, verklaren waarom we nooit de superpositie zien van een kat die zich in twee staten tegelijk bevindt.

Tot voor kort, deze "instortingstheorieën, " wat aanpassingen van de kwantummechanica van het leerboek zou vereisen, kon niet worden getest, omdat het moeilijk is om een ​​groot object in een superpositie voor te bereiden. Dit komt omdat grotere objecten meer interactie hebben met hun omgeving dan atomen of subatomaire deeltjes - wat leidt tot lekken in warmte die kwantumtoestanden vernietigt.

als natuurkundigen, we zijn geïnteresseerd in instortingstheorieën omdat we de kwantumfysica beter willen begrijpen, en met name omdat er theoretische aanwijzingen zijn dat de ineenstorting te wijten zou kunnen zijn aan zwaartekrachtseffecten. Een verband tussen kwantumfysica en zwaartekracht zou spannend zijn om te vinden, aangezien de hele natuurkunde op deze twee theorieën berust, en hun uniforme beschrijving - de zogenaamde Theory of Everything - is een van de grote doelen van de moderne wetenschap.

Voer de optische pincet in

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

In 2010 realiseerde een groep onderzoekers zich dat zo'n nanodeeltje dat door een optisch pincet wordt vastgehouden, goed geïsoleerd was van zijn omgeving, omdat het niet in contact was met enige materiële steun. Naar aanleiding van deze ideeën, verschillende groepen suggereerden manieren om superposities van een nanodeeltje op twee verschillende ruimtelijke locaties te creëren en te observeren.

Een intrigerend schema voorgesteld door de groepen Tongcang Li en Lu Ming Duan in 2013 betrof een nanodiamantkristal in een pincet. Het nanodeeltje zit niet stil in het pincet. Liever, het oscilleert als een slinger tussen twee locaties, met de herstellende kracht afkomstig van de stralingsdruk als gevolg van de laser. Verder, dit diamant nanokristal bevat een vervuilend stikstofatoom, die kan worden gezien als een kleine magneet, met een noord (N) pool en een zuid (S) pool.

De Li-Duan-strategie bestond uit drie stappen. Eerst, ze stelden voor om de beweging van het nanodeeltje af te koelen tot zijn kwantumgrondtoestand. Dit is de laagste energietoestand die dit type deeltje kan hebben. We zouden kunnen verwachten dat in deze toestand het deeltje stopt met bewegen en helemaal niet oscilleert. Echter, als dat is gebeurd, we zouden weten waar het deeltje was (in het midden van het pincet), evenals hoe snel het bewoog (helemaal niet). Maar gelijktijdige perfecte kennis van zowel positie als snelheid is niet toegestaan ​​door het beroemde Heisenberg-onzekerheidsprincipe van de kwantumfysica. Dus, zelfs in de laagste energietoestand, het deeltje beweegt een beetje rond, net genoeg om te voldoen aan de wetten van de kwantummechanica.

Tweede, het Li en Duan-schema vereiste dat het magnetische stikstofatoom werd voorbereid in een superpositie van zijn noordpool die zowel naar boven als naar beneden wees.

Eindelijk, er was een magnetisch veld nodig om het stikstofatoom te koppelen aan de beweging van het zwevende diamantkristal. Dit zou de magnetische superpositie van het atoom overbrengen naar de locatie-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-vergane radioactieve monster wordt omgezet in de superpositie van Schrödinger's kat in dode en levende toestanden.

De ineenstortingstheorie bewijzen

Wat dit theoretische werk haar tanden gaf, 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 af te koelen tot een honderdste van een graad boven het absolute nulpunt - de laagst mogelijke temperatuur - door de intensiteit van de optische pincet te moduleren. Het effect was hetzelfde als het vertragen van een kind op een schommel door op het juiste moment te duwen.

In 2016 konden dezelfde onderzoekers afkoelen tot een 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 nanodeeltje met pincet te bereiken, ongeveer een miljoenste graad boven het absolute nulpunt lag. Deze eis is uitdagend, maar binnen het bereik van lopende experimenten.

De tweede opwindende ontwikkeling was de experimentele levitatie van een stikstofdefectdragende nanodiamant in 2014 in de groep van Nick Vamivakas. Met behulp van een magnetisch veld, ze waren ook in staat om de fysieke koppeling van het stikstofatoom en de kristalbeweging te bereiken die vereist is door de derde stap van het Li-Duan-schema.

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

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.