Voor het menselijk oog, de meeste stilstaande objecten lijken precies dat te zijn - nog steeds, en volledig in rust. Maar als we een kwantumlens zouden krijgen, waardoor we objecten kunnen zien op de schaal van individuele atomen, wat een appel was die werkeloos op ons bureau zat, zou verschijnen als een krioelende verzameling trillende deeltjes, erg in beweging.

In de afgelopen decennia is natuurkundigen hebben manieren gevonden om objecten te superkoelen zodat hun atomen bijna tot stilstand komen, of in hun 'bewegende grondtoestand'. Daten, natuurkundigen hebben geworsteld met kleine objecten zoals wolken van miljoenen atomen, of objecten op nanogramschaal, in zulke zuivere kwantumtoestanden.

Nu voor het eerst, wetenschappers van het MIT en elders hebben een groot, object op menselijke schaal te dicht bij zijn bewegende grondtoestand. Het object is niet tastbaar in de zin dat het zich op één locatie bevindt, maar is de gecombineerde beweging van vier afzonderlijke objecten, elk met een gewicht van ongeveer 40 kilogram. Het "object" dat de onderzoekers hebben gekoeld, heeft een geschatte massa van ongeveer 10 kilogram, en omvat ongeveer 1x10 ²⁶ , of bijna 1 octiljoen, atomen.

De onderzoekers maakten gebruik van het vermogen van de Laser Interfrometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) om de beweging van de massa's met extreme precisie te meten en de collectieve beweging van de massa's superkoelen tot 77 nanokelvin, net verlegen van de voorspelde grondtoestand van het object van 10 nanokelvin.

hun resultaten, verschijnt vandaag in Wetenschap , vertegenwoordigen het grootste object dat moet worden gekoeld tot dicht bij zijn bewegende grondtoestand. De wetenschappers zeggen dat ze nu de kans hebben om het effect van de zwaartekracht op een enorm kwantumobject te observeren.

"Niemand heeft ooit waargenomen hoe zwaartekracht inwerkt op enorme kwantumtoestanden, " zegt Vivishek Sudhir, universitair docent werktuigbouwkunde aan het MIT, die het project heeft geleid. "We hebben aangetoond hoe objecten op kilogramschaal in kwantumtoestanden kunnen worden voorbereid. Dit opent eindelijk de deur naar een experimenteel onderzoek naar hoe zwaartekracht grote kwantumobjecten kan beïnvloeden, iets waar tot nu toe alleen van gedroomd werd."

De auteurs van de studie zijn lid van het LIGO-laboratorium, en omvatten hoofdauteur en afgestudeerde student Chris Whittle, postdoc Evan Hall, onderzoekswetenschapper Sheila Dwyer, Decaan van de School of Science en de Curtis en Kathleen Marble hoogleraar astrofysica Nergis Mavalvala, en assistent-professor werktuigbouwkunde Vivishek Sudhir.

Precisie pushback

Alle objecten belichamen een soort beweging als gevolg van de vele interacties die atomen hebben, met elkaar en door invloeden van buitenaf. Al deze willekeurige bewegingen worden weerspiegeld in de temperatuur van een object. Wanneer een object wordt afgekoeld tot bijna nul, het heeft nog steeds een resterende kwantumbeweging, een toestand die de 'bewegingsgrondtoestand' wordt genoemd.

Om een ​​object in zijn sporen te stoppen, men kan er een gelijke en tegengestelde kracht op uitoefenen. (Denk aan een honkbal halverwege de vlucht stoppen met de kracht van je handschoen.) Als wetenschappers de grootte en richting van de bewegingen van een atoom nauwkeurig kunnen meten, ze kunnen tegenkrachten uitoefenen om de temperatuur te verlagen - een techniek die bekend staat als feedbackkoeling.

Natuurkundigen hebben feedbackkoeling op verschillende manieren toegepast, inclusief laserlicht, om individuele atomen en ultralichte objecten naar hun kwantumgrondtoestanden te brengen, en hebben geprobeerd om steeds grotere objecten te superkoelen, om kwantumeffecten te bestuderen in grotere, traditioneel klassieke systemen.

"Het feit dat iets temperatuur heeft, is een weerspiegeling van het idee dat het interageert met dingen eromheen, ', zegt Sudhir. 'En het is moeilijker om grotere objecten te isoleren van alles wat er om hen heen gebeurt.'

Om de atomen van een groot object af te koelen tot bijna grondtoestand, men zou eerst hun beweging met uiterste precisie moeten meten, om de mate van terugdringing te kennen die nodig is om deze beweging te stoppen. Weinig instrumenten ter wereld kunnen zo'n precisie bereiken. LIGO, zoals het gebeurt, kan.

Het waarnemingscentrum voor zwaartekrachtgolven bestaat uit twee interferometers op afzonderlijke locaties in de VS. Elke interferometer heeft twee lange tunnels die in een L-vorm zijn verbonden, en zich uitstrekkend over 4 kilometer in beide richtingen. Aan weerszijden van elke tunnel hangt een spiegel van 40 kilogram, opgehangen aan dunne vezels, die zwaait als een slinger in reactie op elke verstoring zoals een inkomende zwaartekrachtgolf. Een laser bij het knooppunt van de tunnel wordt gesplitst en door elke tunnel gestuurd, vervolgens teruggekaatst naar zijn bron. De timing van de terugkeerlasers vertelt wetenschappers precies hoeveel elke spiegel bewoog, met een nauwkeurigheid van 1/10, 000 de breedte van een proton.

Sudhir en zijn collega's vroegen zich af of ze de bewegingsmeetprecisie van LIGO konden gebruiken om eerst de beweging van grote, objecten op menselijke schaal, oefen dan een tegenkracht uit, tegengesteld aan wat ze meten, om de objecten in hun grondtoestand te brengen.

Terugwerken op back-action

Het object dat ze wilden koelen is geen individuele spiegel, maar eerder de gecombineerde beweging van alle vier de spiegels van LIGO.

"LIGO is ontworpen om de gezamenlijke beweging van de vier spiegels van 40 kilogram te meten, Sudhir legt uit. "Het blijkt dat je de gezamenlijke beweging van deze massa's wiskundig in kaart kunt brengen, en beschouw ze als de beweging van een enkel object van 10 kilogram."

Bij het meten van de beweging van atomen en andere kwantumeffecten, Sudhir zegt, alleen al het meten kan de spiegel willekeurig schoppen en in beweging brengen - een kwantumeffect dat 'meting-terug-actie' wordt genoemd. Als individuele fotonen van een laser tegen een spiegel weerkaatsen om informatie over zijn beweging te verzamelen, het momentum van het foton duwt terug op de spiegel. Sudhir en zijn collega's realiseerden zich dat als de spiegels continu worden gemeten, zoals ze zijn in LIGO, de willekeurige terugslag van fotonen uit het verleden kan worden waargenomen in de informatie die door latere fotonen wordt gedragen.

Gewapend met een compleet overzicht van zowel kwantum- als klassieke storingen op elke spiegel, de onderzoekers pasten een gelijke en tegengestelde kracht toe met elektromagneten die aan de achterkant van elke spiegel waren bevestigd. Het effect trok de collectieve beweging bijna tot stilstand, de spiegels met zo weinig energie achterlatend dat ze niet meer dan 10 . bewogen ^-20 meter, minder dan een duizendste van de grootte van een proton.

Het team stelde vervolgens de resterende energie van het object gelijk, of beweging, met temperatuur, en ontdekte dat het object op 77 nanokelvin zat, zeer dicht bij zijn bewegingsgrondtoestand, waarvan ze voorspellen dat het 10 nanokelvin is.

"Dit is vergelijkbaar met de temperatuur die atoomfysici hun atomen afkoelen om in hun grondtoestand te komen, en dat is met een kleine wolk van misschien een miljoen atomen, picogrammen wegen, " zegt Sudhir. "Dus, het is opmerkelijk dat je zoiets veel zwaarders kunt koelen, op dezelfde temperatuur."

"Iets voorbereiden in de grondtoestand is vaak de eerste stap om het in opwindende of exotische kwantumtoestanden te brengen, Whittle zegt. "Dus dit werk is opwindend omdat het ons misschien enkele van deze andere staten laat bestuderen, op een massale schaal die nog nooit eerder is gedaan."