Fizikçiler, kuantum dünyasının sınırlarını keşfetmek ve klasik fiziğin ne zaman geçerli olmadığını belirlemek için vakumda lazerler tarafından hapsolan cam nanoparçacıkları inceliyorlar. Bu, bir ekibin nanopartikülün hareketinde depolanan enerjiyi mümkün olduğunca azaltarak kuantum temel durumuna ulaşmak için çalıştığı ERC-Synergy projesi Q-Xtreme’in bir parçasıdır.
Cam nanoparçacıklar aşırı vakumda lazerler tarafından tuzağa düşürülen, kuantum dünyasının sınırlarını keşfetmek için umut verici bir platform olarak kabul edilir. Kuantum teorisinin ortaya çıkışından bu yana, bir nesnenin hangi boyutlarda klasik fizik kuralları yerine kuantum fiziği yasaları tarafından tanımlanmaya başlandığı sorusu yanıtsız kaldı.
Lukas Novotny (ETH Zürih) tarafından oluşturulmuş bir ekip , Markus Aspelmeyer (Viyana Üniversitesi), Oriol Romero-Isart (Innsbruck Üniversitesi) ve Romain Quidant (Zürih), ERC-Synergy projesi Q-Xtreme kapsamında tam olarak bu soruyu yanıtlamaya çalışıyor. Bu amaca giden yolda çok önemli bir adım, nanopartikülün hareketinde depolanan enerjiyi mümkün olduğunca azaltmak, yani parçacığı sözde kuantum temel durumuna kadar soğutmak.
Üzerinde kontrol hareketin tüm boyutları
Q-Xtreme ekibi, uzun süredir nanopartiküllerin taban durumunda soğutulması konusunda birlikte çalışıyor. Innsbruck Üniversitesi’nden Dr. Gonzalez-Ballestero ve Prof. Romero-Isart’ın teorik hesaplamalarıyla desteklenen Zürih ve Viyana’daki birkaç deney, bir nanoparçacığın ya parçacığı sönümleyerek bu tür temel durum soğutmasının ilk gösterimlerine yol açtı. elektronik kontrol (aktif geri besleme) kullanarak veya parçacığı iki ayna arasına yerleştirerek (boşluk tabanlı soğutma) hareket. Şimdiye kadar yapılan deneylerde temel duruma parçacık hareketinin üç yönünden yalnızca biri boyunca ulaşıldı ve diğer iki yönde hareket “sıcak” bırakıldı.
Vakum odası ile bir boşluğun içindeki bir parçacığı havaya kaldırmak için deney düzeneği. Boşluk, kızılötesi ışık için son derece yansıtıcı olacak şekilde kaplanmış iki aynadan oluşur. Merkezdeki silindirik kısım, kızılötesi lazeri parçacığın tutulduğu bir noktaya odaklamak için ucunda bir mercek tutar. Kredi: Johannes Piotrowski
Avusturya Akademisi Kuantum Optikleri ve Kuantum Bilgisi Enstitüsü’nden Gonzalez-Ballestero, “Birden fazla yönde temel durum soğumasını sağlamak, yeni kuantum fiziğini keşfetmenin anahtarıdır” diye vurguluyor Fen Bilimleri Fakültesi ve Innsbruck Üniversitesi’nde Teorik Fizik Bölümü. “Fakat şimdiye kadar bu başarı, parçacığın aralarında konumlandırıldığı aynaların üç yönün bazıları boyunca hareketle verimli bir şekilde etkileşime girmesini sağlamak zor olduğundan, zordu.” Sözde “Karanlık Mod Etkisi”, tam temel duruma soğumayı engelledi. .
Hedefe yönelik farklı frekanslarla
Şimdi, ETH Zürih’teki Fotonik Laboratuvarı’ndaki araştırma, ilk kez bir nanopartikülün iki hareket yönü boyunca temel durumda soğutulmasını başardı. Bir kum tanesinden yaklaşık bin kat daha küçük olan bir cam küre, yüksek bir vakumda çevresinden tamamen izole edilir ve güçlü bir şekilde odaklanmış bir lazer ışını tarafından tutulurken aynı anda mutlak sıfıra yakın soğutulur. Innsbruck ekibinin teorik tahminlerine dayanarak, İsviçreli fizikçiler karanlık durum sorununu aşmayı başardılar. ETH Zürih’ten Lukas Novotny, “Bunu yapmak için parçacığın iki yönde farklı salınım yaptığı frekansları tasarladık ve lazer ışığının polarizasyonunu dikkatli bir şekilde ayarladık” diyor.
Nature Physics’te yayınlanan çalışma , üç hareket yönü için minimum enerji durumuna ulaşmanın mümkün olduğunu gösterir. Ayrıca, ultra hassas jiroskoplar ve sensörler oluşturmak için kullanılabilen, iki yönde kırılgan kuantum durumlarının oluşturulmasına da olanak tanır.
Referans: “Havaya kaldırılan bir nanopartikülün iki mekanik modunun eş zamanlı temel durum soğutması. Johannes Piotrowski, Dominik Windey, Jayadev Vijayan, Carlos Gonzalez-Ballestero, Andrés de los Ríos Sommer, Nadine Meyer, Romain Quidant, Oriol Romero-Isart, René Reimann ve Lukas Novotny” 6 Mart 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-01956-1
Araştırma, diğerleri arasında Avrupa Araştırma Konseyi ERC ve Avrupa Birliği tarafından mali olarak desteklenmiştir.