Nobelpriset Optical Tweezer upptäcker nya ledtrådar till hur universum fungerar

Man kan tro att den optiska pincetten - en fokuserad laserstråle som kan fälla små partiklar - är gammal hatt nu. Trots allt blev pincetten uppfann av Arthur Ashkin 1970. Och han fick Nobelpriset för det här året - förmodligen efter att de viktigaste konsekvenserna hade uppnåtts under det senaste halvtalet.

Förvånansvärt är detta långt ifrån sant. Den optiska pincetten avslöjar nya möjligheter samtidigt som forskare förstår kvantmekanik, teorin som förklarar naturen när det gäller subatomära partiklar.

Denna teori har lett till några konstiga och kontraintuitiva slutsatser. En av dem är att kvantmekanik tillåter att ett enda objekt existerar i två olika tillstånd av verkligheten samtidigt. Exempelvis tillåter kvantfysik att en kropp befinner sig på två olika platser i rymden samtidigt - eller både död och levande, som i det berömda tankeexperimentet hos Schrödinger katt.

Det tekniska namnet på detta fenomen är superposition. Överlagringar har observerats för små föremål som singelatomer. Men klart ser vi aldrig en superposition i våra vardagsliv. Till exempel ser vi inte en kopp kaffe på två platser samtidigt.

För att förklara denna observation har teoretiska fysiker föreslagit att för stora föremål - även för nanopartiklar som innehåller cirka en miljard atomer - slår succéerna snabbt ihop med den ena eller den andra av de två möjligheterna, på grund av en uppdelning av standard kvantmekanik. För större föremål är kollapshastigheten snabbare. För Schrodinger katt skulle denna kollaps - till "levande" eller "död" - vara praktiskt taget momentan och förklara varför vi aldrig ser överlagringen av en katt i två stater samtidigt.

Fram till nyligen kunde dessa "kollapsteorier", som skulle kräva modifieringar av textbook kvantmekanik, inte kunna testas, eftersom det är svårt att förbereda ett stort objekt i en superposition. Detta beror på att större föremål interagerar mer med omgivningen än atomer eller subatomära partiklar - vilket leder till läckage i värme som förstör kvantstånd.

Som fysiker är vi intresserade av att kollapsa teorier eftersom vi skulle vilja förstå kvantfysiken bättre, och specifikt för att det finns teoretiska tecken på att kollapset kan bero på gravitationseffekter. En koppling mellan kvantfysik och gravitation skulle vara spännande att hitta eftersom all fysik vilar på dessa två teorier, och deras enhetliga beskrivning - den så kallade Theory of Everything - är en av de moderna vetenskapens stora mål.

Gå in i Optical Tweezer

Optiska pincett utnyttjar det faktum att ljus kan utöva påtryckningar på materia. Även om stråltrycket från till och med en intensiv laserstråle är ganska liten var Ashkin den första personen som visade att den var tillräckligt stor för att stödja en nanopartikel, motverka gravitationen och effektivt avliva den.

Under 2010 insåg en grupp forskare att en sådan nanopartikel som hölls med en optisk pincett var väl isolerad från sin miljö eftersom den inte var i kontakt med något materiellt stöd. Efter dessa idéer föreslog flera grupper sätt att skapa och observera överlagringar av en nanopartikel på två distinkta rumsliga platser.

Ett intressant schema som föreslogs av grupperna Tongcang Li och Lu Ming Duan 2013 innebar en nanodiamondkristall i en pincett. Nanopartiklarna sitter inte kvar inom pincetten. Det svänger snarare som en pendel mellan två platser, med återställningskraften som kommer från strålningstrycket på grund av lasern. Vidare innehåller denna diamant nanokristall en förorenande kväveatom, som kan betraktas som en liten magnet, med en nord (N) pol och en syd (S) pol.

Li-Duan-strategin bestod av tre steg. Först föreslog de att kyla nanopartikelns rörelse till sin kvantmåtttillstånd. Detta är det lägsta energistatus som denna typ av partikel kan ha. Vi kan förvänta oss att partikeln slutar flytta runt i detta tillstånd och inte oscillerar alls. Men om det hände, skulle vi veta var partikeln var (i mitten av pincetten), liksom hur snabbt den rörde sig (alls inte). Men samtidig perfekt kunskap om både position och hastighet tillåts inte av den berömda Heisenberg osäkerhetsprincipen för kvantfysik. Således, även i sitt lägsta energiläge, rör sig partikeln omkring en liten bit, tillräckligt för att uppfylla kvantemekanikens lagar.

För det andra krävde Li och Duan-systemet att den magnetiska kväveatomen skulle framställas i en överlagring av dess nordpole som pekar upp såväl som nedåt.

Slutligen behövdes ett magnetfält för att koppla kväveatomen till rörelsen hos den leviterade diamantkristallen. Detta skulle överföra atomens magnetiska superposition till nanokristallens placeringsöverlagring. Denna överföring aktiveras av det faktum att atomen och nanopartikeln är intrasslad av magnetfältet. Det förekommer på samma sätt att överlagringen av det förfallna och icke-förfallna radioaktiva provet omvandlas till överlagringen av Schrodinger katt i döda och levande tillstånd.

Proving Collapse Theory

Vad som gav detta teoretiska arbete tänder var två spännande experimentella utvecklingar. Redan 2012 visade grupperna av Lukas Novotny och Romain Quidant att det var möjligt att kyla en optiskt leviterad nanopartikel till en hundradel av en grad över absolut noll - den lägsta temperaturen teoretiskt möjligt - genom att modulera intensiteten hos den optiska pincetten. Effekten var densamma som att sänka ett barn på en gunga genom att trycka vid rätt tidpunkt.

I 2016 kunde samma forskare svalna till en tiotusentedel av en grad över absolut noll. Runt den här tiden publicerade våra grupper ett papper som visade att temperaturen som krävdes för att nå kvadratmånstillståndet för en tvärformad nanopartikel var omkring en miljondel av en grad över absolut noll. Detta krav är utmanande, men inom räckhåll för pågående experiment.

Den andra spännande utvecklingen var den experimentella levitationen av en kvävedefektbärande nanodiamond 2014 i Nick Vamivakas grupp. Med hjälp av ett magnetfält kunde de också uppnå den fysiska kopplingen av kväveatomen och kristallrörelsen som krävs enligt det tredje steget i Li-Duan-systemet.

Loppet är nu på väg till marken, så att ett objekt på två platser kan observeras i en enskild enhet enligt Li-Duan-planen. Om superpositionerna förstörs med den hastighet som förutspås av kollapsteorierna, måste kvantmekanik som vi vet behöva revideras.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation av Mishkat Bhattacharya och Nick Vamivakas. Läs den ursprungliga artikeln här.