אפשר לחשוב שהפינצטר האופטי - קרן לייזר ממוקדת שיכולה ללכוד חלקיקים קטנים - הוא כובע ישן עד עכשיו. אחרי הכל, את הפינצטה הומצא על ידי ארתור אשקין בשנת 1970. והוא קיבל את פרס נובל על כך השנה - ככל הנראה לאחר שהשלכותיו העיקריות התממשו במהלך מחצית המאה האחרונה.
למרבה הפלא, זה רחוק מלהיות נכון. הפינצטה האופטי חושף יכולות חדשות תוך כדי עזרה למדענים להבין את מכניקת הקוונטים, התיאוריה שמסבירה את הטבע במונחים של חלקיקים תת-אטומיים.
תיאוריה זו הובילה לכמה מסקנות משונות ואינטואיטיביות. אחד מהם הוא שמכניקת הקוונטים מאפשרת לאובייקט יחיד להתקיים בשני מצבי מציאות שונים בו זמנית. לדוגמא, פיזיקת הקוונטים מאפשרת לגוף להיות בשני מיקומים שונים בחלל בו זמנית - או שניהם מתים וחיים, כמו בניסוי המחשבה המפורסם של החתול של שרדינגר.
שתי מצבי החתול של שרדינגר: מת (משמאל) וחי (מימין). בפיזיקה קוונטית אומרים שהחתול יכול להתקיים בשני המצבים בו זמנית. (Rhoeo / Shutterstock.com) השם הטכני לתופעה זו הוא סופרפוזיציה. נצפו עמדות-על עבור עצמים זעירים כמו אטומים בודדים. אך ברור, לעולם איננו רואים סופרפוזיציה בחיי היומיום שלנו. לדוגמה, אנו לא רואים כוס קפה בשני מוקדים בו זמנית.
כדי להסביר תצפית זו, פיזיקאים תיאורטיים הציעו כי עבור חפצים גדולים - אפילו עבור חלקיקים חלקיקים המכילים כמיליארד אטומים - מתמוטטות superpositions במהירות האחת או השנייה של שתי האפשרויות, בגלל פירוט של מכניקת הקוונטים הסטנדרטית. עבור עצמים גדולים יותר קצב הקריסה הוא מהיר יותר. עבור החתול של שרדינגר, התמוטטות זו - ל"חי "או" מתה "תהיה מעשית באופן מיידי, ומסבירה מדוע אנו אף פעם לא רואים את הסופרפוזיציה של חתול בשתי מצבים בבת אחת.
עד לא מזמן לא ניתן היה לבחון את "תיאוריות הקריסה" הללו, אשר ידרשו שינויים במכניקת הקוונטים של ספרי הלימוד, מכיוון שקשה להכין אובייקט גדול בסופרפוזיציה. הסיבה לכך היא שאובייקטים גדולים יותר מקיימים אינטראקציה רבה יותר עם סביבתם מאשר אטומים או חלקיקים תת-אטומיים - מה שמוביל לדליפות בחום ההורסות מצבי קוונטים.
כפיזיקאים, אנו מעוניינים בתיאוריות של התמוטטות מכיוון שהיינו רוצים להבין טוב יותר את הפיזיקה הקוונטית, ובמיוחד מכיוון שישנן אינדיקציות תיאורטיות כי הקריסה יכולה להיות כתוצאה מהשפעות כבידה. קשר בין פיזיקה קוונטית לכוח הכבידה יהיה מלהיב למצוא, מכיוון שכל הפיזיקה נשענת על שתי התיאוריות הללו, והתיאור המאוחד שלה - מה שמכונה תיאוריה של הכל - הוא אחת המטרות הגדולות של המדע המודרני.
הכנס לפינצטה האופטי
פינצטה אופטית מנצלת את העובדה שאור יכול להפעיל לחץ על החומר. למרות שלחץ הקרינה אפילו מקרן לייזר אינטנסיבית הוא די קטן, אשקין היה האדם הראשון שהראה שהוא גדול מספיק כדי לתמוך בננו-חלקיק, כנגד כוח הכבידה, והרימו אותו למעשה.
בשנת 2010 קבוצת חוקרים הבינה כי חלקיקי חלקיקים כאלה המוחזקים על ידי פינצטה אופטית מבודדים היטב מסביבתה, מכיוון שהוא לא היה בקשר עם כל תמיכה חומרית. בעקבות רעיונות אלה, מספר קבוצות הציעו דרכים ליצור ולצפות את superpositions של חלקיק ננו בשני מיקומים מרחביים שונים.
תוכנית מסקרנת שהוצעו על ידי קבוצות טונג-קאנג לי ולו מינג דואן בשנת 2013, כרכה גביש ננודיאמונד בפינצטה. חלקיק הננו אינו יושב בשקט בתוך פינצטה. במקום זאת, זה מתנדנד כמו מטוטלת בין שני מיקומים, כאשר הכוח המשחזר מגיע מלחץ הקרינה עקב הלייזר. יתר על כן, ננו-קריסטל יהלום זה מכיל אטום חנקן מזוהם, שניתן לחשוב עליו כמגנט זעיר, עם עמוד צפון (N) וקוטב דרומי (S).
אסטרטגיית Li-Duan כללה שלושה שלבים. ראשית, הם הציעו לקרר את תנועת הננו-חלקיק למצב הקרקע הקוונטי שלו. זהו מצב האנרגיה הנמוך ביותר שיש לסוג זה של חלקיק. אנו עשויים לצפות כי במצב זה החלקיק מפסיק לנוע ולא מתנדנד כלל. עם זאת, אם זה היה קורה, היינו יודעים איפה החלקיק נמצא (במרכז הפינצטה), וכן כמה מהר הוא זז (בכלל לא). אך ידיעה מושלמת בו זמנית של מיקום ומהירות הן אסור על פי עקרון הוודאות המפורסם של הייזנברג של פיזיקת הקוונטים. כך, אפילו במצבו האנרגטי הנמוך ביותר, החלקיק מסתובב מעט, מספיק בכדי לספק את חוקי מכניקת הקוונטים.
שנית, מערך הלי ודואן דרש להכין את אטום החנקן המגנטי בסופרפוזיציה של הקוטב הצפוני שלו כלפי מעלה וגם כלפי מטה.
לבסוף, היה צורך בשדה מגנטי כדי לקשר בין אטום החנקן לתנועת גביש היהלום המרומם. זה יעביר את superposition המגנטי של האטום למצב superposition של ננו קריסטל. העברה זו מתאפשרת על ידי העובדה שהאטום והננו-חלקיק מסתבכים על ידי השדה המגנטי. זה מתרחש באותו אופן שבו הסופרפוזיציה של הדגימה הרדיואקטיבית הרקובה והלא מתפוררת מומרת לסופרפוזיציה של החתול של שרדינגר במצבים מתים וחיים.
הוכחת תיאוריית הקריסה
כווץ superposition למיקום יחיד. (לוכד חלומות דיאנה / Shutterstock.com) מה שהעניק שיני עבודה תיאורטיות זו היו שני התפתחויות ניסיוניות מרגשות. כבר בשנת 2012 הקבוצות של לוקאס נובוטני ורומן קוואנטנט הראו שאפשר לקרר חלקיק ננוף מוגבה אופטי למאתיים מעלות מעל האפס המוחלט - הטמפרטורה הנמוכה ביותר באופן תיאורטי - על ידי אפנון עוצמת הפינצטה האופטית. ההשפעה הייתה זהה לזו של האטת ילד בנדנדה על ידי דחיפה בזמנים הנכונים.
בשנת 2016 אותם החוקרים הצליחו להתקרר לעשרת אלפים מעלות מעל לאפס מוחלט. בערך באותה תקופה פרסמו הקבוצות שלנו מאמר שקבע כי הטמפרטורה הנדרשת כדי להגיע למצב האדמה הקוונטי של חלקיק ננו-פינצטה הייתה בסביבות מיליון המעלה מעל לאפס מוחלט. דרישה זו מאתגרת, אך בהישג יד של ניסויים מתמשכים.
ההתפתחות המרגשת השנייה הייתה ריחוף ניסיוני של ננודיאמונד הנושא פגם בחנקן בשנת 2014 בקבוצתו של ניק וומיוואקס. בעזרת שדה מגנטי הם הצליחו להשיג גם את הצימוד הפיזי של אטום החנקן ואת תנועת הגבישים הנדרשת על ידי הצעד השלישי בתכנית Li-Duan.
המירוץ עומד כעת להגיע למצב הקרקע כך שעל פי תוכנית לי-דואן ניתן לראות אובייקט בשני מוקדים שמתמוטט לישות אחת. אם נהרסות superpositions בקצב שחזה תיאוריות ההתמוטטות, מכניקת הקוונטים כידוע תצטרך לשנות אותה.
מאמר זה פורסם במקור ב- The Conversation.
משקט בהטאטאריה, פרופסור חבר בבית הספר לאסטרונומיה, המכון הטכנולוגי של רוצ'סטר וניק וומיוואקס, פרופסור חבר לאופטיקה קוונטית ופיזיקה קוונטית, אוניברסיטת רוצ'סטר
