Tutkijat jäädyttävät kvanttitilan ilman avaruuspakastinta.
Sisällysluettelo
Kvanttifysiikassa on pitkään ollut lähes pavlovilainen refleksi: puhtaan kvanttitilan havainnoimiseksi tutkittava kohde jäähdytetään lämpötilaan, joka on lähellä absoluuttista nollapistettä. Se oli sääntö, joka oli lähes kaiverrettu kiveen. Nyt kuitenkin Wienin teknillisen yliopiston (TU Wien) ja ETH Zürichin tutkijaryhmä on murtanut tämän säännön. Heidän saavutuksensa: nanopartikkelin vangitseminen kvanttitilaan huoneenlämmössä. Kryokammiota ei tarvittu, vain nerokas laser- ja peilijärjestelmä. Koealtti ei ollut mikään futuristinen: pieni lasipallo, pienempi kuin hiekanjyvä.
Tämän eurooppalaisen löydön ansiosta kvanttitilaa ei enää tarvitse saavuttaa ”absoluuttisessa nollapisteessä”.
Ymmärtääksemme löydön, aloitetaan kuvittelemalla vanhan kellon heiluri, joka heiluu vasemmalta oikealle. Tämä on klassinen kuva värähtelystä. Mikroskooppisella tasolla asiat monimutkaistuvat: hiukkasetkin värähtelevät, mutta niiden liikkeitä säätelevät erittäin tiukat kvanttisäännöt. Ne voivat olla perustilassa (pienin mahdollinen värähtely) tai viritetyssä tilassa (enemmän energiaa, suurempi amplitudi).
Vielä oudompaa on, että ne voivat olla useiden tilojen superpositio.
Miksi lämpö sekoittaa kaiken
Ongelmana on, että lämpö on näiden ”hauraiden” tilojen arkkivihollinen. Lämpövärähtelyt lisäävät häiritsevän energian sumua, joka peittää kvanttimerkit kokonaan. Se on vähän kuin yrittäisi tulkita kuiskausta keskellä rock-konserttia. Tähän asti ainoa keino oli jäähdyttää esine lähes -273 °C:een, jotta lämpövärähtely rauhoittuisi.
Temppu: tarkka liikkeen hallinta
Tutkijat päättivät olla jäähdyttämättä kaikkea, vaan kohdistivat jäähdytyksen nanopartikkelin pyörimiseen. Partikkeli ei ollut täysin pallomainen, vaan hieman elliptinen. Sähkömagneettisessa kentässä se käyttäytyy kuin kompassineula. Taitavasti säädetyn laser- ja peilijärjestelmän avulla fyysikot pystyivät poistamaan energiaa pyörimisliikkeestä lisäämättä sitä. Tällä tavalla pyöriminen hidastui lähes perustilaan (kvanttijärjestelmän alhaisin energiatila), kun taas loput hiukkasesta pysyivät kuumina, useiden satojen asteiden lämpötilassa.
Kuva on osuva: se on kuin pysäyttäisit täyttä vauhtia pyörivän auton ohjauspyörän, samalla kun moottori käy täysillä ja konepelti on kuumana. Tutkimusta johtanut Carlos Gonzalez-Ballestero tiivistää: ”Pyöriminen voi jäätyä, vaikka hiukkanen pysyy kuumana”. Tämä ”vapausasteiden” (tässä tapauksessa pyöriminen suhteessa sisäiseen lämpötilaan) erottaminen on avain tähän saavutukseen.
Mitä tämä tarkoittaa fysiikalle ja muille aloille
Kyky manipuloida kvanttitilassa olevia esineitä ilman äärimmäistä kylmää avaa uusia mahdollisuuksia. Kokeet ovat helpompia ja edullisempia, ja ne voivat koskea yksittäisiä atomeja tai molekyylejä suurempia järjestelmiä.
Mahdollisia sovelluksia ovat muun muassa erittäin herkkä ilmaisutekniikka, kvanttikryptografia ja täysin uudet kvanttilaskennan arkkitehtuurit.
Sama tavoite muualla maailmassa
Tämä läpimurto on osa kansainvälistä kilpailua, jonka tavoitteena on tuoda suurempia esineitä kvanttimaailmaan.
- Yhdysvalloissa MIT:n ja Caltechin tiimit työskentelevät nanokupujen optisen vangitsemisen ja mikroskooppisten kalvojen kvanttitilojen parissa.
- Japanissa JAXA ja useat yliopistot pyrkivät saavuttamaan miniatyyrien mekaanisten resonaattoreiden perustilan optomekaanisen jäähdytyksen avulla.
- Euroopassa TU Wienin ja ETH Zürichin lisäksi saksalaiset ja ranskalaiset laboratoriot tutkivat mikromirrojen ja nanometrin vipujen kvanttitiloja metrologian parantamiseksi.
Nature Physics -lehdessä julkaistun kokeen myötä olemme astumassa uuteen kokeellisen fysiikan aikakauteen, jossa voimme ehkä jonain päivänä pysäyttää paljaalla silmällä näkyvien esineiden liikkeet ja samalla antaa niiden kiehua sisällään.
