Μια εντυπωσιακή ανακάλυψη που ανατρέπει την παραδοσιακή προσέγγιση στην κβαντική φυσική πέτυχε ερευνητική ομάδα του ETH Zurich, με θεωρητική υποστήριξη από το TU Wien. Οι επιστήμονες κατάφεραν να «παγώσουν» την κβαντική κίνηση νανοσωματιδίων σε θερμοκρασία δωματίου, αποφεύγοντας τις πολύπλοκες και ακριβές μεθόδους ψύξης κοντά στο απόλυτο μηδέν.
Η μέθοδος βασίστηκε στη χρήση «οπτικών τσιμπίδων», μια τεχνική που παγιδεύει και χειρίζεται μικροσκοπικά σωματίδια με δέσμες laser. Χάρη σε αυτήν, οι ερευνητές μπόρεσαν να απομονώσουν την κίνηση μηδενικού σημείου, μια θεμελιώδη κβαντική κατάσταση που μέχρι τώρα ήταν δυνατό να επιτευχθεί μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Η πρόοδος αυτή ανοίγει τον δρόμο για νέες εφαρμογές σε προηγμένους κβαντικούς αισθητήρες, με πιθανές χρήσεις στην πλοήγηση, την ιατρική και τη θεμελιώδη φυσική.
Η κατανόηση των ορίων της κβαντικής φυσικής αποτελεί πρόκληση εδώ και δεκαετίες. Οι επιστήμονες θέλουν να μάθουν αν αντικείμενα πολύ μεγαλύτερα από άτομα και μόρια μπορούν να παρουσιάσουν κβαντικές ιδιότητες. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι οι μικροσκοπικές γυάλινες σφαίρες διαμέτρου περίπου 100 νανομέτρων, περισσότερο από χίλιες φορές μικρότερες από έναν κόκκο άμμου, αλλά τεράστιες για τα κβαντικά δεδομένα.
Μέχρι σήμερα, η μελέτη τέτοιων σωματιδίων απαιτούσε ακραία ψύξη, κοντά στους -273,15 °C, ώστε να μειωθεί η θερμική κίνηση και να γίνουν ορατές οι κβαντικές επιδράσεις. Η ομάδα του ETH Zurich, ωστόσο, κατάφερε να αποδείξει ότι οι περιστροφικές δονήσεις τέτοιων σωματιδίων ακολουθούν τους νόμους της κβαντικής μηχανικής ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου.
Όπως εξηγεί ο Carlos Gonzalez-Ballestero από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής του TU Wien, ένα μικροσκοπικό σωματίδιο «πάντα ταλαντώνεται λίγο» και η ένταση αυτής της ταλάντωσης εξαρτάται από τη θερμοκρασία και το περιβάλλον του. Στην καθημερινή ζωή, οι κινήσεις φαίνονται συνεχείς — ένα εκκρεμές μπορεί να κινηθεί με οποιοδήποτε πλάτος. Στον κβαντικό κόσμο, όμως, οι ταλαντώσεις εμφανίζονται σε διακριτά «πακέτα ενέργειας».
Υπάρχει μια ελάχιστη δόνηση, η «θεμελιώδης κατάσταση», και από εκεί η ενέργεια αυξάνεται σε διακριτά επίπεδα, χωρίς ενδιάμεσες τιμές. Η πρόκληση είναι να απομονωθεί και να σταθεροποιηθεί ένα σωματίδιο στην κατώτερη από αυτές τις καταστάσεις.
Η καινοτομία της μεθόδου του ETH Zurich και του TU Wien είναι ότι επικεντρώνεται μόνο σε μία συγκεκριμένη παράμετρο του σωματιδίου: την περιστροφική δόνηση. Το νανοσωματίδιο που χρησιμοποίησαν δεν ήταν τέλεια σφαιρικό, αλλά ελαφρώς ελλειπτικό. Όταν παγιδευόταν σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, άρχιζε να περιστρέφεται.
Με τη βοήθεια συστημάτων laser και καθρεφτών, οι ερευνητές μπόρεσαν να αφαιρούν ενέργεια από την περιστροφική κίνηση με μεγάλη πιθανότητα, ενώ η προσθήκη ενέργειας γινόταν ελάχιστα πιθανή. Έτσι, η περιστροφή έφτανε σταδιακά κοντά στη θεμελιώδη κβαντική κατάσταση, ενώ το σωματίδιο συνολικά διατηρούσε υψηλή θερμοκρασία, μερικές εκατοντάδες βαθμούς Κελσίου.
Για να επιτευχθεί αυτό, χρειάστηκε να λυθούν πολύπλοκα θεωρητικά ζητήματα, όπως η κατανόηση και ο έλεγχος του κβαντικού θορύβου των laser.
Το αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία μιας περιστροφικής κατάστασης σχεδόν καθαρής κβαντικής φύσης, πιο «καθαρής» από οτιδήποτε είχε επιτευχθεί μέχρι σήμερα με παρόμοια σωματίδια, χωρίς την ανάγκη ψύξης. Αυτό σημαίνει ότι οι επιστήμονες έχουν πλέον έναν πιο πρακτικό τρόπο να μελετούν σταθερά τις κβαντικές ιδιότητες μεγαλύτερων αντικειμένων.
Σύμφωνα με τον Gonzalez-Ballestero, η επιτυχία αυτή «ωθεί τα όρια της κβαντικής φυσικής» και ανοίγει τον δρόμο για νέες πειραματικές δυνατότητες. Η τεχνική μπορεί να αξιοποιηθεί σε μελλοντικούς κβαντικούς αισθητήρες που θα λειτουργούν χωρίς ακριβές υποδομές ψύξης, κάτι που θα διευκολύνει την εφαρμογή τους σε ποικίλους τομείς, από την πλοήγηση έως την ιατρική απεικόνιση και την εξερεύνηση θεμελιωδών φυσικών νόμων.
Η ανακάλυψη αυτή δείχνει ότι, ακόμη και χωρίς να μειωθεί η συνολική θερμότητα ενός συστήματος, μπορούμε να «παγώσουμε» επιμέρους βαθμούς ελευθερίας του σε ακραία κβαντικές καταστάσεις και αυτό αλλάζει το παιχνίδι στην κβαντική μηχανική.
[via]
