Onderzoekers in Oostenrijk hebben lasers gebruikt om een ​​glazen nanodeeltje in het kwantumregime te laten zweven en af ​​te koelen. Hoewel het opgesloten zit in een omgeving met kamertemperatuur, de beweging van het deeltje wordt uitsluitend bepaald door de wetten van de kwantumfysica. Het team van wetenschappers van de Universiteit van Wenen, de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) publiceerden hun nieuwe studie in het tijdschrift Wetenschap .

Het is algemeen bekend dat kwantumeigenschappen van individuele atomen kunnen worden gecontroleerd en gemanipuleerd met laserlicht. Zelfs grote wolken van honderden miljoenen atomen kunnen in het kwantumregime worden geduwd, die aanleiding geven tot macroscopische kwantumtoestanden van materie zoals kwantumgassen of Bose-Einstein-condensaten, die tegenwoordig ook veel worden gebruikt in kwantumtechnologieën. Een spannende volgende stap is om dit niveau van kwantumcontrole uit te breiden naar objecten in vaste toestand. In tegenstelling tot atoomwolken, de dichtheid van een vaste stof is een miljard keer hoger, en alle atomen zijn gebonden om samen langs het massamiddelpunt van het object te bewegen.

Echter, het invoeren van dit nieuwe regime is helemaal geen eenvoudige onderneming. Een eerste stap voor het bereiken van een dergelijke kwantumcontrole is om het onderzochte object te isoleren van invloeden van de omgeving en om alle thermische energie te verwijderen - door het af te koelen tot temperaturen die zeer dicht bij het absolute nulpunt liggen (-273,15 graden Celsius), zodat de kwantummechanica de wereld domineert. beweging van het deeltje. Om dit te laten zien, de onderzoekers kozen ervoor om te experimenteren met een glazen kraal die ongeveer 1000 keer kleiner is dan een zandkorrel en een paar honderd miljoen atomen bevat. Isolatie van de omgeving wordt bereikt door het deeltje optisch op te sluiten in een strak gerichte laserstraal in hoog vacuüm, een truc die oorspronkelijk vele decennia geleden werd geïntroduceerd door Nobelprijswinnaar Arthur Ashkin, en dat wordt ook gebruikt voor het isoleren van atomen. "De echte uitdaging is om de deeltjesbeweging af te koelen tot zijn kwantumgrondtoestand. Laserkoeling via atomaire overgangen is goed ingeburgerd en een natuurlijke keuze voor atomen, maar het werkt niet voor vaste stoffen, ", zegt hoofdauteur Uros Delic van de Universiteit van Wenen.

Om deze reden, het team heeft gewerkt aan de implementatie van een laserkoelingsmethode die werd voorgesteld door de Oostenrijkse natuurkundige Helmut Ritsch aan de Universiteit van Innsbruck en, onafhankelijk, door studie co-auteur Vladan Vuletic en Nobelprijswinnaar Steven Chu. Ze hadden onlangs een eerste demonstratie van het werkingsprincipe aangekondigd, koeling van de holte door coherente verstrooiing; echter, ze waren nog steeds beperkt tot het opereren ver weg van het kwantumregime.

"We hebben ons experiment geüpgraded en kunnen nu niet alleen meer achtergrondgas verwijderen, maar ook om meer fotonen in te sturen voor koeling, " zegt Delic. Op die manier, de beweging van de glasparel kan rechtstreeks in het kwantumregime worden gekoeld. "Het is grappig om hierover na te denken:het oppervlak van onze glaskraal is extreem heet, rond de 300 graden Celsius, omdat de laser de elektronen in het materiaal opwarmt. Maar de beweging van het zwaartepunt van het deeltje is ultrakoud, ongeveer 0.00001 graden Celsius verwijderd van het absolute nulpunt, en we kunnen laten zien dat het hete deeltje op een kwantummanier beweegt."

De onderzoekers zijn enthousiast over de vooruitzichten van hun werk. De kwantumbeweging van vaste stoffen is ook onderzocht door andere groepen over de hele wereld, samen met het Weense team. Zo ver, experimentele systemen bestonden uit nano- en micromechanische resonatoren - in wezen, trommels of duikplanken die zijn vastgeklemd op een starre draagconstructie. "Optische levitatie brengt veel meer vrijheid:door de optische val te veranderen - of zelfs uit te schakelen - kunnen we de beweging van nanodeeltjes op volledig nieuwe manieren manipuleren, " zegt Nikolai Kiesel, co-auteur en assistent-professor aan de Universiteit van Wenen.

Er zijn verschillende regelingen in deze richting voorgesteld, onder andere door de in Oostenrijk gevestigde natuurkundigen Oriol Romero-Isart en Peter Zoller in Innsbruck, en kan nu mogelijk worden. Bijvoorbeeld, in combinatie met de nieuw bereikte bewegingsgrondtoestand verwachten de auteurs dat dit nieuwe mogelijkheden opent voor ongekende waarnemingsprestaties, de studie van fundamentele processen van warmtemotoren in het kwantumregime, evenals de studie van kwantumverschijnselen waarbij grote massa's betrokken zijn. "Een decennium geleden, we begonnen dit experiment gemotiveerd door het vooruitzicht van een nieuwe categorie kwantumexperimenten. We hebben eindelijk de deur geopend voor dit regime."