“The 2018 Nobel Lecture in Physics: Optical Tweezers, ”Arthur Ashkin, Bell Laboratories, emeritus
Indholdsfortegnelse:
Man tror måske, at den optiske pincet - en fokuseret laserstråle, der kan fange små partikler - er gammel hat nu. Trods alt blev pincetten opfundet af Arthur Ashkin i 1970. Og han modtog Nobelprisen for det i år - formodentlig efter at de vigtigste implikationer var blevet realiseret i løbet af det sidste halve århundrede.
Utroligt er dette langt fra sandt. Den optiske pincet afslører nye evner samtidig med at forskere forstår kvantemekanik, teorien, der forklarer naturen hvad angår subatomære partikler.
Denne teori har ført til nogle underlige og modstridende konklusioner. En af dem er, at kvantemekanik gør det muligt for en enkelt genstand at eksistere i to forskellige virkeligheds tilstande på samme tid. Eksempelvis tillader kvantefysik en krop at være på to forskellige steder i rummet samtidigt - eller både død og levende, som i det berømte tankeeksperiment af Schrödinger's kat.
Det tekniske navn for dette fænomen er overlejring. Superpositioner er blevet observeret for små genstande som enkeltatomer. Men klart, vi ser aldrig en superposition i vores hverdag. For eksempel ser vi ikke en kop kaffe på to steder på samme tid.
For at forklare denne observation har teoretiske fysikere antydet, at for store genstande - selv for nanopartikler, der indeholder omkring en milliard atomer - falder superpositionerne hurtigt sammen med den ene eller den anden af de to muligheder på grund af en sammenbrud af standardkvantemekanikken. For større objekter er sammenbrudshastigheden hurtigere. For Schrodinger's kat ville denne sammenbrud - til "levende" eller "død" - være praktisk taget øjeblikkelig og forklare hvorfor vi aldrig ser overlejringen af en kat i to stater på én gang.
Indtil for nylig kunne disse "sammenbrudte teorier", som ville kræve modifikationer af lærebog kvantemekanik, ikke kunne testes, da det er vanskeligt at forberede en stor genstand i en superposition. Dette skyldes, at større genstande interagerer mere med deres omgivelser end atomer eller subatomære partikler - hvilket fører til lækager i varme, der ødelægger kvanteforhold.
Som fysikere er vi interesserede i at kollapse teorier, fordi vi gerne vil forstå kvantfysikken bedre, og specifikt fordi der er teoretiske tegn på, at sammenbruddet kunne skyldes gravitationseffekter. En forbindelse mellem kvantefysik og tyngdekraft ville være spændende at finde, da hele fysikken hviler på disse to teorier, og deres forenklede beskrivelse - den såkaldte teori for alt - er et af de store mål for moderne videnskab.
Indtast Optisk Tweezer
Optiske pincet udnytter det faktum, at lys kan udøve pres på materie. Selvom strålingstrykket fra endda en intens laserstråle er ret lille, var Ashkin den første person, der viste, at den var stor nok til at understøtte en nanopartikel, modvirker tyngdekraften og effektivt ophæver den.
I 2010 indså en gruppe forskere, at en sådan nanopartikel, der var optaget af en optisk pincet, var isoleret fra sit miljø, da den ikke var i kontakt med nogen materiel støtte. Efter disse ideer foreslog flere grupper måder at oprette og observere superpositioner af en nanopartikel på to forskellige rumlige steder.
En spændende ordning foreslået af grupperne Tongcang Li og Lu Ming Duan i 2013 involverede en nanodiamond krystal i en pincet. Nanopartiklerne sidder ikke stille inde i pincetten. Det svinger snarere som en pendul mellem to steder, hvor genoprettende kraft kommer fra stråletrykket på grund af laseren. Desuden indeholder denne diamant nanokrystal et kontaminerende nitrogenatom, som kan betragtes som en lille magnet, med en nord (N) pol og en syd (S) pol.
Li-Duan-strategien bestod af tre trin. For det første foreslog de at afkøle nanopartikelens bevægelse til dets kvantejordtilstand. Dette er den laveste energitilstand, som denne type partikel kan have. Vi kan forvente, at partiklen i denne tilstand holder op med at bevæge sig og ikke oscillerer overhovedet. Men hvis det skete, ville vi vide, hvor partiklen var (i midten af pincetten), så godt, hvor hurtigt det bevægede sig (slet ikke). Men samtidig perfekt viden om både position og hastighed er ikke tilladt af det berømte Heisenberg usikkerhedsprincip om kvantefysik. Således bevæger partiklen sig selv, selv i sin laveste energitilstand, en lille smule lige nok til at tilfredsstille kvantemekanikernes love.
For det andet krævede Li og Duan-ordningen det magnetiske nitrogenatom, som skulle fremstilles i en overlejring af dens nordpole, der pegede op såvel som nedad.
Endelig var et magnetfelt nødvendigt for at forbinde nitrogenatomet til bevægelsen af den leviterede diamantkrystal. Dette ville overføre atomens magnetiske superposition til nanokrystalets placering overlejring. Denne overførsel aktiveres af det faktum, at atomet og nanopartiklerne er indviklet af magnetfeltet. Det sker på samme måde, at superpositionen af den forfaldne og ikke-forfaldne radioaktive prøve konverteres til superpositionen af Schrodinger's kat i døde og levende tilstande.
Proving Collapse Theory
Hvad gav dette teoretiske arbejde tænder var to spændende eksperimentelle udviklinger. Allerede i 2012 viste grupperne Lukas Novotny og Romain Quidant, at det var muligt at afkøle en optisk leviteret nanopartikel til en hundrededel af en grad over absolut nul - den laveste temperatur teoretisk muligt - ved at modulere intensiteten af den optiske pincet. Effekten var den samme som ved at bremse et barn på en swing ved at skubbe til de rigtige tider.
I 2016 kunne de samme forskere afkøle til en ti tusinde af en grad over absolut nul. Omkring dette tidspunkt offentliggjorde vores grupper et papir, der fastslog, at den temperatur, der var nødvendig for at nå kvantejordtilstanden for en dobbeltformet nanopartikler, var omkring en milliondel af en grad over absolut nul. Dette krav er udfordrende, men inden for rækkevidde af igangværende eksperimenter.
Den anden spændende udvikling var den eksperimentelle levitation af en nitrogen-defektbærende nanodiamond i 2014 i Nick Vamivakas gruppe. Ved hjælp af et magnetfelt kunne de også opnå den fysiske kobling af nitrogenatomet og krystalbevægelsen, der kræves i tredje trin i Li-Duan-ordningen.
Løbet er nu på vej til jorden, således at et objekt på to lokaliteter ifølge Li-Duan-planen kan observeres sammenfaldende i en enkelt enhed. Hvis superpositionerne ødelægges med den hastighed, der forudsiges af sammenbrudsteorierne, må kvantemekanik som vi ved det, blive revideret.
Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation af Mishkat Bhattacharya og Nick Vamivakas. Læs den oprindelige artikel her.
Undersøgelse: Opdagede stenværktøjer Åbne nye spor til gammel kinesisk historie
En af de mest dybtgående teknologiske innovationer i menneskelig udvikling er gamle stenværktøjer. I en ny undersøgelse fra 'Nature' fandt arkeologer et bevismateriale fra kinesiske artefakter, der ændrer den måde, vi tænker på oprindelsen og spredningen af nye stenværktøjsteknologier.
Hvornår skal jeg motionere? Intense øvelsesundersøgelse afslører hvordan aften træning påvirker søvn
På trods af den traditionelle visdom, der tyder på, at det kan være sværere at sove om natten, kan nye bevis tyde på, at det måske ikke er så skadeligt, som vi troede. Forfatterne til et nyt papir tyder på, at aften træning kan have en eller to upsides.
AdCase iPhone Protector Opfinner Forklarer, hvordan det virker, og hvordan du kan købe
Den "mobile airbag", en iPhone-sag, der gik viral, anvender fire insektlignende ben for at beskytte din telefon, når den falder. En af opfinderne af ADcase prototypen fortæller omvendt, hvordan det virker, og når det kan være tilgængeligt for køb. Det hele afhænger af, hvor godt crowdfunding kampagnen gør.