노벨상 광학 족집게가 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 단서를 밝힙니다

광학 집게 (작은 입자를 잡을 수있는 집속 된 레이저 빔)는 지금 으로서는 오래된 모자라고 생각할 수도 있습니다. 결국 트위터는 1970 년에 Arthur Ashkin에 의해 발명되었습니다. 그리고 그는 아마도 지난 반세기 동안 주요 영향이 실현 된 후에 노벨상을 수상했습니다.

놀랍게도, 이것은 사실과 거리가 멀다. 옵티컬 트위터는 새로운 기능을 드러내는 동시에 과학자들이 아 원자 입자에 대한 자연을 설명하는 양자 역학을 이해하도록 돕습니다.

이 이론은 이상하고 반 직관적 인 결론을 이끌어 냈습니다. 그들 중 하나는 양자 역학이 한 물체가 동시에 두 개의 다른 현실 상태에 존재할 수있게한다는 것입니다. 예를 들어 양자 물리학은 슈뢰딩거 (Schrödinger)의 유명한 사고 실험에서와 같이 시체가 동시에 두 개의 서로 다른 위치에있을 수 있도록 해줍니다.

이 현상의 기술 이름은 중첩입니다. 단일 원자와 같은 작은 물체에 대해 중첩이 관찰되었습니다. 그러나 분명히, 우리는 일상 생활에서 중첩을 결코 보지 못합니다. 예를 들어, 우리는 동시에 두 곳에서 한 잔의 커피를 보지 못합니다.

이러한 관찰을 설명하기 위해 이론 물리학 자들은 표준 원자 역학의 붕괴로 인해 수십억 개의 원자를 포함하는 나노 입자의 경우에도 큰 물체에 대해 두 가지 가능성 중 하나 또는 두 가지 모두로 신속하게 붕괴가 일어날 것이라고 제안했다. 큰 객체의 경우 축소 속도가 빠릅니다. 슈뢰딩거 (Schrodinger)의 고양이에게, "살아있는"또는 "죽은"이 붕괴는 사실상 순간적 일 수 있으며 왜 우리는 한 번에 두 국가에있는 고양이의 중첩을 결코 볼 수 없는지 설명합니다.

최근까지 교과서 양자 역학의 수정이 필요한 이러한 "붕괴 이론"은 중첩되어 큰 물체를 준비하기가 어렵 기 때문에 테스트 할 수 없었다. 이것은 큰 물체가 원자 또는 원자 입자보다 주변 환경과 더 많이 상호 작용하여 열이 누출되어 양자 상태를 파괴하기 때문입니다.

물리학 자로서 우리는 양자 물리학을 더 잘 이해하기를 원하기 때문에, 특히 붕괴가 중력 효과로 인한 것일 수 있다는 이론적 징후가 있기 때문에 이론을 붕괴시키는 데 관심이 있습니다. 양자 물리학과 중력 사이의 연결은 모든 물리학이이 두 이론에 달려 있기 때문에 찾기가 흥미로 우며, 이른바 '모든 것의 이론'이라는 통합 된 기술은 현대 과학의 위대한 목표 중 하나입니다.

옵티컬 트위터 입력

광학 집게는 빛이 물질에 압력을 가할 수 있다는 사실을 이용합니다. 비록 강렬한 레이저 광선으로부터의 복사 압력은 아주 작지만, Ashkin은 중력에 대항하여 나노 입자를지지 할만큼 충분히 컸다는 것을 보여주는 최초의 사람이었다.

2010 년 한 그룹의 연구원은 광학 족집게에 의해 고정 된 나노 입자가 물질적 지지체와 접촉하지 않았기 때문에 환경으로부터 잘 격리되어 있다는 것을 깨달았습니다. 이러한 아이디어에 따라 여러 그룹은 두 개의 별개의 공간적 위치에서 나노 입자의 중첩을 만들고 관찰하는 방법을 제안했습니다.

2013 년에 Tongcang Li와 Lu ​​Ming Duan 그룹이 제안한 흥미로운 계획은 족집게에 나노 다이아몬드 결정을 포함했습니다. 나노 입자는 족집게 안에 아직 앉아 있지 않습니다. 오히려 그것은 레이저로 인한 복사 압력으로부터 오는 복원력으로 두 지점 사이의 진자처럼 진동합니다. 또한이 다이아몬드 나노 결정은 북극 (N) 극과 남극 (S) 극을 가진 작은 자석으로 생각할 수있는 오염 질소 원자를 함유하고 있습니다.

Li-Duan 전략은 세 단계로 구성됩니다. 첫째, 나노 입자의 운동을 양자 상태로 냉각시키는 것이 제안되었다. 이것은 입자의 유형이 가질 수있는 가장 낮은 에너지 상태입니다. 우리는이 상태에서 입자가 움직이지 않고 전혀 진동하지 않을 것이라고 예상 할 수 있습니다. 그러나 그런 일이 발생하면 입자가 어디에 있는지 (핀셋의 중심에 있는지), 얼마나 빨리 움직이는 지 (전체적으로는 아님) 알 수 있습니다. 그러나 양자 물리학의 유명한 하이젠 버그 (Heisenberg) 불확실성 원리에 의해 위치와 속도의 동시 완벽한 지식은 허용되지 않습니다. 따라서, 심지어 가장 낮은 에너지 상태에서, 입자는 양자 역학의 법칙을 만족시키기에 충분할 정도로 조금 움직입니다.

둘째, Li와 Duan 체계는 자성 질소 원자가 북극뿐만 아니라 아래를 가리키는 중첩에서 준비 될 것을 요구했다.

마지막으로, 부상 된 다이아몬드 결정의 운동에 질소 원자를 연결시키기 위해 자기장이 필요했다. 이것은 원자의 자기 중첩을 나노 결정의 위치 중첩으로 전달할 것이다. 이러한 이동은 원자와 나노 입자가 자기장에 의해 얽혀 있다는 사실에 의해 가능해진다. 이것은 붕괴되고 부패되지 않은 방사성 샘플의 중첩이 죽은 상태와 살아있는 상태에서 슈뢰딩거의 고양이의 중첩으로 변환되는 것과 동일한 방식으로 발생합니다.

붕괴 이론 증명하기

이 이론적 인 작업 치아를 준 것은 두 가지 흥미 진진한 실험 개발이었습니다. 이미 2012 년 Lukas Novotny와 Romain Quidant 그룹은 optical tweezer의 강도를 변조함으로써 이론적으로 가능한 최저 온도 인 절대 0보다 높은 온도에서 광학적으로 부상 된 나노 입자를 냉각시키는 것이 가능함을 보여주었습니다. 그 효과는 적절한 시간에 밀어 냄으로써 어린이를 둔화시키는 효과와 동일합니다.

2016 년에 똑같은 연구원들이 절대 0보다 1 만분의 1도까지 냉각 될 수있었습니다. 이번에 우리 그룹은 tweezed nanoparticle의 양자 기반 상태에 도달하는 데 필요한 온도가 절대 영도 위의 약 백만 분의 일 정도라는 것을 입증하는 논문을 발표했습니다. 이 요구 사항은 까다 롭지 만 진행중인 실험 범위 내에 있습니다.

두 번째 흥미 진진한 개발은 2014 년 Nick Vamivakas 그룹에서 질소 결함 담지 나노 다이아몬드를 실험적으로 부양하는 것이 었습니다. 자기장을 사용하여 그들은 Li-Duan 체계의 세 번째 단계에서 요구되는 질소 원자와 결정 운동의 물리적 결합을 달성 할 수있었습니다.

경주는 이제 바닥 상태에 도달하여 Li-Duan 계획에 따라 두 곳의 물체가 단일 실체로 붕괴되는 것을 볼 수 있습니다. 중첩이 붕괴 이론에 의해 예측 된 속도로 파괴되면 우리가 알고있는 양자 역학은 개정되어야합니다.

이 기사는 원래 Mishkat Bhattacharya와 Nick Vamivakas의 The Conversation에 게시되었습니다. 여기에 원본 기사를 읽으십시오.