De vraag waar de grens ligt tussen klassieke en kwantumfysica is een van de langst bestaande bezigheden van modern wetenschappelijk onderzoek, en in nieuw onderzoek dat vandaag is gepubliceerd, demonstreren wetenschappers een nieuw platform dat ons zou kunnen helpen een antwoord te vinden.

De wetten van de kwantumfysica bepalen het gedrag van deeltjes op minuscule schaal, wat leidt tot verschijnselen als kwantumverstrengeling, waarbij de eigenschappen van verstrengelde deeltjes onlosmakelijk met elkaar verbonden raken op manieren die niet door de klassieke natuurkunde kunnen worden verklaard.

Onderzoek in de kwantumfysica helpt ons leemten in onze kennis van de natuurkunde op te vullen en kan ons een completer beeld van de werkelijkheid geven, maar de kleine schaal waarop kwantumsystemen opereren kan het moeilijk maken ze te observeren en te bestuderen.

De afgelopen eeuw hebben natuurkundigen met succes kwantumfenomenen waargenomen in steeds grotere objecten, van subatomaire deeltjes zoals elektronen tot moleculen die duizenden atomen bevatten.

Meer recentelijk heeft het vakgebied van de zwevende optomechanica, dat zich bezighoudt met de besturing van objecten op micronschaal met een grote massa in vacuüm, tot doel de grenzen verder te verleggen door de geldigheid van kwantumverschijnselen te testen in objecten die verschillende ordes van grootte zwaarder zijn dan atomen en moleculen. Naarmate de massa en omvang van een object echter toenemen, gaan de interacties die resulteren in delicate kwantumkenmerken zoals verstrengeling verloren in de omgeving, wat resulteert in het klassieke gedrag dat we waarnemen.

Maar nu heeft het team onder leiding van Dr. Jayadev Vijayan, hoofd van het Quantum Engineering Lab aan de Universiteit van Manchester, samen met wetenschappers van de ETH Zürich en theoretici van de Universiteit van Innsbruck, een nieuwe aanpak ontwikkeld om dit probleem op te lossen. een experiment uitgevoerd aan de ETH Zürich, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics .

Dr. Vijayan zei:"Om kwantumfenomenen op grotere schaal te observeren en licht te werpen op de overgang tussen klassiek en kwantum, moeten kwantumkenmerken behouden blijven in de aanwezigheid van ruis uit de omgeving. Zoals je je kunt voorstellen, zijn er twee manieren om dit te doen; de eerste is om de ruis te onderdrukken, en de tweede is om de kwantumfuncties te versterken.

"Ons onderzoek demonstreert een manier om de uitdaging aan te pakken door de tweede benadering te volgen. We laten zien dat de interacties die nodig zijn voor verstrengeling tussen twee optisch gevangen glasdeeltjes van 0,1 micron met verschillende ordes van grootte kunnen worden versterkt om verliezen voor het milieu te overwinnen. "

De wetenschappers plaatsten de deeltjes tussen twee sterk reflecterende spiegels die een optische holte vormen. Op deze manier stuiteren de door elk deeltje verstrooide fotonen enkele duizenden keren tussen de spiegels voordat ze de holte verlaten, wat leidt tot een aanzienlijk grotere kans op interactie met het andere deeltje.

Johannes Piotrowski, co-leider van het artikel van ETH Zürich, voegde hieraan toe:"Opmerkelijk genoeg neemt de sterkte van de holte niet af naarmate de afstand groter wordt, omdat de optische interacties worden gemedieerd door de holte, wat betekent dat we deeltjes op micronschaal over meerdere millimeters kunnen koppelen." P>

De onderzoekers demonstreren ook het opmerkelijke vermogen om de interactiesterkte nauwkeurig aan te passen of te controleren door de laserfrequenties en de positie van de deeltjes in de holte te variëren.

De bevindingen vertegenwoordigen een aanzienlijke stap voorwaarts in het begrijpen van fundamentele natuurkunde, maar zijn ook veelbelovend voor praktische toepassingen, vooral in sensortechnologie die kan worden gebruikt voor omgevingsmonitoring en offline navigatie.

Dr. Carlos Gonzalez-Ballestero, een medewerker van de Technische Universiteit van Wenen, zei:"De belangrijkste kracht van zwevende mechanische sensoren is hun hoge massa in vergelijking met andere kwantumsystemen die gebruikmaken van detectie. De hoge massa maakt ze zeer geschikt voor het detecteren van zwaartekrachtkrachten. en versnellingen, wat resulteert in een betere gevoeligheid. Quantumsensoren kunnen in veel verschillende toepassingen op verschillende gebieden worden gebruikt, zoals het monitoren van poolijs voor klimaatonderzoek en het meten van versnellingen voor navigatiedoeleinden."

Piotrowski voegde hieraan toe:"Het is opwindend om aan dit relatief nieuwe platform te werken en te testen hoe ver we het in het kwantumregime kunnen duwen."

Nu zal het team van onderzoekers de nieuwe mogelijkheden combineren met gevestigde kwantumkoelingstechnieken in een stap richting het valideren van kwantumverstrengeling. Als dit lukt, kan het bereiken van verstrengeling van zwevende nano- en microdeeltjes de kloof tussen de kwantumwereld en de alledaagse klassieke mechanica verkleinen.

Bij het Photon Science Institute en de afdeling Electrical and Electronic Engineering van de Universiteit van Manchester zal het team van Dr. Jayadev Vijayan blijven werken aan zwevende optomechanica, waarbij interacties tussen meerdere nanodeeltjes worden benut voor toepassingen in kwantumdetectie.

Meer informatie: Door holtes gemedieerde langeafstandsinteracties in zwevende optomechanica, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02405-3. www.nature.com/articles/s41567-024-02405-3

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Universiteit van Manchester