Spiny kwantowe poruszają obiekt na tyle duży, że jego rozmiar można mierzyć w centymetrach – i właśnie to udało się po raz pierwszy zaobserwować naukowcom z Okinawa Institute of Science and Technology. W eksperymencie wykorzystano diament z defektami NV, lewitującą płytkę grafitową oraz światło laserowe. Efekt był maleńki, ale znaczenie ogromne: klasyczny ruch obiektu został wywołany przez zjawisko kwantowe.
Spiny kwantowe poruszają obiekt większy niż kiedykolwiek wcześniej
Fizyka kwantowa zwykle kojarzy się ze światem atomów, elektronów i cząstek subatomowych.
To właśnie tam działają zjawiska, które często wydają się sprzeczne z codzienną intuicją.
Nowe badanie pokazuje jednak, że skutki kwantowe można wykorzystać do wprawienia w ruch obiektu o rozmiarach centymetrowych.
Zespół z Okinawa Institute of Science and Technology w Japonii opublikował wyniki w czasopiśmie „Science Advances”.
To ważny krok na granicy dwóch światów: fizyki kwantowej, opisującej bardzo małe skale, oraz fizyki klasycznej, która dobrze opisuje obiekty obserwowane na co dzień.
Czym jest spin elektronu?
Spin to jedna z podstawowych właściwości cząstek takich jak elektrony.
Nie oznacza dosłownie obracania się elektronu jak małej kulki.
Można jednak wyobrazić go sobie jako rodzaj wewnętrznego magnetyzmu.
W uproszczeniu elektron zachowuje się trochę tak, jakby miał własną mikroskopijną igłę kompasu.
Naukowcy od dawna potrafią kontrolować spiny i wykorzystywać je w eksperymentach.
Dotąd siły związane z tym zjawiskiem pozwalały jednak poruszać przede wszystkim bardzo małe obiekty, na przykład pojedyncze atomy.
Nowe doświadczenie znacząco przesuwa tę granicę.
Obiekt był miliony razy masywniejszy niż w poprzednich eksperymentach
Według fizyka teoretycznego Jasona Twamleya obiekt wykorzystany w doświadczeniu był około osiem do dziewięciu rzędów wielkości masywniejszy niż układy stosowane w najbardziej zaawansowanych wcześniejszych eksperymentach mechaniki spinowej.
To ogromny skok skali.
Badacze nie pokazali przy tym makroskopowej superpozycji kwantowej.
Zaobserwowali natomiast klasyczną odpowiedź mechaniczną obiektu na siłę wynikającą z kontrolowanego efektu kwantowego.
To subtelne, ale bardzo ważne rozróżnienie.
Lewitująca płytka grafitowa była podstawą eksperymentu
Eksperyment rozpoczął się od grafitowej płytki o rozmiarach rzędu centymetra.
Umieszczono ją nad układem magnesów tworzących coś w rodzaju magnetycznej szachownicy.
Dzięki lewitacji diamagnetycznej płytka mogła unosić się nad powierzchnią.
To pozwoliło bardzo mocno ograniczyć tarcie.
A im mniejsze opory ruchu, tym łatwiej wykryć niezwykle słabe siły działające na cały układ.
Z płytki zwisał specjalnie przygotowany diament
Do grafitowej konstrukcji przymocowano około 3-milimetrowy diament.
Nie był to jednak zwykły kryształ.
Znajdowały się w nim tak zwane centra wakansji azotowej, znane jako centra NV.
Są to specjalne defekty w strukturze krystalicznej diamentu.
W takich miejscach atom azotu zastępuje jeden z atomów węgla, a obok znajduje się brakujący atom, czyli wakans.
Tego rodzaju defekty dają naukowcom dostęp do elektronów, których spin można bardzo precyzyjnie kontrolować.
Laser pozwolił sterować spinami
Do manipulowania centrami NV wykorzystano światło laserowe.
Naukowcy mogli przygotowywać spiny w określonych stanach, a następnie oddziaływać na nie za pomocą pola magnetycznego.
Zmiana orientacji spinów prowadziła do powstania bardzo małej siły.
Ta siła została przeniesiona na cały układ.
I choć miała źródło kwantowe, efektem końcowym był zwykły mechaniczny ruch obiektu.
Cały układ ważył około 128 miligramów
Kompletny układ eksperymentalny miał masę około 128 miligramów.
To mniej więcej masa kilku ziaren ryżu.
W skali codziennego świata to nadal bardzo mało.
W skali doświadczeń kwantowych jest to jednak obiekt ogromny.
Co ważne, jego masa jest już na tyle duża, że grawitacja nie może być po prostu pominięta.
To jeden z powodów, dla których badanie jest tak interesujące.
Ruch wyniósł około 100 nanometrów
Pod wpływem kontrolowanych spinów cały układ przesunął się o około 100 nanometrów.
To mniej więcej jedna tysięczna grubości ludzkiego włosa.
Z codziennej perspektywy jest to ruch niemal niezauważalny.
Dla fizyków liczy się jednak nie odległość, ale źródło siły.
Obiekt o rozmiarach centymetrowych zareagował mechanicznie na zjawisko mające pochodzenie kwantowe.
To właśnie ten fakt stanowi najważniejszy wynik badania.
Centra NV są wyjątkowo przydatne w fizyce kwantowej
Diamenty zawierające centra NV są od lat wykorzystywane w badaniach kwantowych.
Jednym z ich największych atutów jest stosunkowo długi czas koherencji.
Oznacza to, że stan kwantowy może utrzymywać się w nich dłużej niż w wielu innych układach.
Co ważne, centra NV mogą zachowywać część tych właściwości również w temperaturze pokojowej.
To bardzo cenna cecha, ponieważ wiele eksperymentów kwantowych wymaga ekstremalnego chłodzenia.
Celem jest makroskopowa superpozycja
Badacze nie chcą zatrzymać się na samym przesuwaniu obiektów.
Długoterminowym celem jest doprowadzenie znacznie większych układów do prawdziwych stanów kwantowych.
Jednym z najbardziej interesujących jest superpozycja.
W takim stanie układ może znajdować się w kombinacji kilku możliwych stanów jednocześnie.
W przypadku ruchu mogłoby to oznaczać, że obiekt nie ma jednej, jednoznacznie określonej pozycji lub trajektorii.
To byłby znacznie bardziej spektakularny krok niż sam klasyczny ruch wywołany przez spiny.
Grawitacja komplikuje całą sprawę
Problem staje się szczególnie ciekawy, gdy skala obiektu rośnie.
Mechanika kwantowa świetnie opisuje świat bardzo małych cząstek.
Ogólna teoria względności Einsteina doskonale opisuje natomiast grawitację i duże masy.
Połączenie obu teorii pozostaje jednym z największych nierozwiązanych problemów współczesnej fizyki.
Eksperymenty wykorzystujące coraz większe obiekty mogą pomóc ustalić, gdzie dokładnie przebiega granica między opisem kwantowym a klasycznym.
Naukowcy idą od dużego do małego
Wiele eksperymentów próbuje rozszerzać fizykę kwantową na coraz większe układy.
Zaczyna się od pojedynczych cząstek, potem atomów, cząsteczek i coraz większych struktur.
Zespół OIST zastosował częściowo odwrotne podejście.
Najpierw wykorzystano obiekt makroskopowy, który można lewitować i dobrze kontrolować mechanicznie.
Następnie wprowadzono do niego niewielki element kwantowy – diament z centrami NV.
Dzięki temu badacze mogą próbować stopniowo zwiększać udział efektów kwantowych w dużym układzie.
Lewitacja pomaga osłabić wpływ otoczenia
Jednym z największych wrogów stanów kwantowych jest kontakt z otoczeniem.
Tarcie, drgania i oddziaływania termiczne mogą szybko niszczyć delikatną koherencję.
Lewitacja diamagnetyczna pomaga ograniczać część takich zakłóceń.
Obiekt nie styka się bezpośrednio z podłożem, dzięki czemu może reagować na bardzo małe siły.
To sprawia, że konfiguracja jest interesującą platformą do przyszłych badań nad większymi układami kwantowymi.
Eksperyment nie stworzył jeszcze „kota Schrödingera”
Wyniki mogą kojarzyć się ze słynnym kotem Schrödingera, ale trzeba zachować precyzję.
W eksperymencie nie udało się umieścić centymetrowego obiektu jednocześnie w dwóch położeniach.
Ruch był klasyczny.
Kwantowe było źródło siły, która go wywołała.
To jednak ważny etap prowadzący do bardziej ambitnych eksperymentów.
Jak podkreślają autorzy, kolejnym celem jest poprawa warunków tak, aby możliwe było uzyskanie superpozycji ruchu większych obiektów.
Spiny kwantowe poruszają obiekt, ale prawdziwe wyzwanie dopiero przed fizykami
Największe znaczenie nowego badania nie polega więc na tym, że udało się przesunąć coś o 100 nanometrów.
Kluczowe jest przekroczenie skali.
Zjawisko związane z elektronowymi spinami wpłynęło na ruch obiektu o wymiarach centymetrowych i masie około 128 miligramów.
To znacznie większa skala niż w dotychczasowych doświadczeniach tego typu.
Badacze pokazali tym samym, że niezwykle słabe efekty kwantowe mogą zostać przełożone na zauważalną reakcję mechaniczną dużego układu.
Kolejny krok może prowadzić w stronę kwantowej grawitacji
Jeśli przyszłe eksperymenty pozwolą wprowadzać podobne układy w prawdziwe superpozycje, fizycy uzyskają nowe narzędzie do badania związku między mechaniką kwantową a grawitacją.
To właśnie tutaj może kryć się największa wartość całego projektu.
Nie chodzi o budowę kwantowego silnika ani o przesuwanie przedmiotów bez dotykania ich.
Chodzi o sprawdzenie, czy zasady kwantowe pozostają poprawne także wtedy, gdy badany obiekt staje się dostatecznie duży, by grawitacja zaczęła odgrywać wyraźną rolę.
Spiny kwantowe poruszają obiekt większy niż kiedykolwiek wcześniej w tego rodzaju eksperymencie.
Do prawdziwego „kota Schrödingera” w skali makroskopowej nadal daleko.
Ale granica między światem kwantowym i klasycznym właśnie przesunęła się o kolejny krok.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Science Advances .