Επιστήμονες έφεραν τον «κόσμο» της κβαντικής στις μακροσκοπικές διαστάσεις. Physicists 'squeeze' light to cool microscopic drum below quantum limit

NIST researchers applied a special form of microwave light to cool a microscopic aluminum drum to an energy level below the generally accepted limit, to just one fifth of a single quantum of energy. The drum, which is 20 micrometers in diameter and 100 nanometers thick, beat10 million times per second while its range of motion fell to nearly zero. Credit: Teufel/NIST

Σώματα που αποκτούν συγκεκριμένη θέση μόνον όταν παρατηρηθούν, αντικείμενα που μπορεί να βρίσκονται σε θέσεις οι οποίες απαγορεύονται από την κλασική μηχανική, σωματίδια τα οποία αλληλοεπηρεάζονται από οποιαδήποτε απόσταση, και μάλιστα ταχύτερα από τη διάδοση του φωτός.

Τέτοιες φαινομενικά παράδοξες ιδιότητες, που περιγράφει η κβαντική φυσική, μέχρι σήμερα εκδηλώνονταν μόνο στον μικρόκοσμο, δηλαδή στην κλίμακα των ατόμων, των φωτονίων και των υποατομικών σωματιδίων.

Τώρα όμως, ερευνητές από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων Και Τεχνολογίας (NIST), στο Κολοράντο των ΗΠΑ, κατάφεραν για πρώτη φορά να επεκτείνουν την «επικράτεια» της κβαντομηχανικής και στον μακρόκοσμο – ψύχοντας ένα αντικείμενο ορατό με γυμνό μάτι σε τόσο χαμηλή θερμοκρασία, ώστε να εμφανίσει κβαντική συμπεριφορά.

Οι ερευνητές περιγράφουν το επίτευγμά τους στο περιοδικό Nature, το οποίο μπορεί να διευκολύνει την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι θα είναι πολύ πιο ισχυροί από τα σημερινά μηχανήματα. Επίσης, αναμένεται να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα πώς γίνεται η μετάβαση από τον «κόσμο» της κβαντικής φυσικής, ο οποίος διέπει τη μικροκλίμακα, σε αυτό της καθημερινής μας εμπειρίας που περιγράφεται από την κλασική φυσική.

Όπως ανέφερε χαρακτηριστικά στην εφημερίδα Independent ο Δρ Τζον Τόιφελ, μέλος της  ομάδας: «Νομίζω ότι ζούμε σε μία συναρπαστική εποχή, όπου η τεχνολογία μάς δίνει πρόσβαση σε όσα ήταν για δεκαετίες απλώς νοητικά πειράματα. Το συναρπαστικό είναι πως μπορούμε στο εργαστήριο να γίνουμε αυτόπτες μάρτυρες των κβαντικών φαινομένων».

Ο τρόπος με τον οποίο έφτασαν στο επίτευγμα μοιάζει το ίδιο παράδοξος με την κβαντική φυσική. Κι αυτό γιατί κατάφεραν να ψύξουν ένα μικροσκοπικό τύμπανο από αλουμίνιο, με διάμετρο όσο το πάχος μίας λεπτής τρίχας, σε θερμοκρασία λίγο μεγαλύτερο από το απόλυτο μηδέν, το οποίο είναι -273,15 βαθμοί Κελσίου.

Γι’ αυτό τον σκοπό, χρησιμοποίησαν ακτινοβολία μικροκυμάτων, με κατάλληλη συχνότητα και γωνία πρόσπτωσης στο αντικείμενο ώστε τα φωτόνιά της να αποσπούν θερμότητα από το τύμπανο καθώς αυτό ταλαντώνεται. Αν και η συγκεκριμένη τεχνική θεωρούνταν πως έχει ένα όριο στην πτώση της θερμοκρασίας που μπορεί να προκαλέσει, οι επιστήμονες κατάφεραν να ψύξουν το αντικείμενο κάτω από αυτή την τιμή.

Σε αυτή τη θερμοκρασία, σύμφωνα με τον Δρα Τόιφελ, μπόρεσαν να παρατηρήσουν ενδείξεις κβαντικών φαινομένων. «Κάποιες κβαντικές ιδιότητες γίνονται έτσι πιο ορατές», σημειώνει.

Μία τέτοια ιδιότητα είναι η υπέρθεση καταστάσεων, κατά την οποία ένα κβαντικό σύστημα βρίσκεται ταυτόχρονα σε δύο καταστάσεις. «Θα μπορούσαμε να κάνουμε κάτι τέτοιο με τις δονήσεις του τυμπάνου, ώστε την ίδια στιγμή να ταλαντώνεται και ανοδικά και καθοδικά», σημειώνει ο επιστήμονας.

Επίσης, θέλουν να μελετήσουν την αιτία και τον μηχανισμό που τα κβαντικά φαινόμενα εξαλείφονται στις μεγαλύτερες διαστάσεις. «Για εμένα προσωπικά, το πιο συναρπαστικό είναι να αυξάνουμε ολοένα περισσότερο τις κλίμακες. Από θεωρητικής άποψης, δεν υπάρχει κάποιος λόγος που θα απαγόρευε το τύμπανο να είναι 10 φορές μεγαλύτερο».

Πηγές: www.naftemporiki.gr, J.B. Clark, F. Lecocq, R.W. Simmonds, J. Aumentado & J.D. Teufel. 2017. Sideband Cooling Beyond the Quantum Backaction Limit with Squeezed Light. Nature. January 12, 2017. nature.com/articles/doi:10.1038/nature20604