Kwantowy spin poruszył lewitujący układ o masie 128 mg. Zaskakujący eksperyment fizyków z OIST
Mechanika kwantowa kojarzy się z niewidzialnym mikroświatem pojedynczych cząstek, który znika, gdy tylko przechodzimy do skali makroskopowej. Naukowcy z Okinawy zrobili jednak krok, który zbliża te dwa porządki.
Za pomocą kwantowego spinu wprawili w ruch lewitujący układ mechaniczny o masie 128 miligramów. To obiekt ciężki w skali laboratoryjnej precyzji, podlegający grawitacji i widoczny gołym okiem.
Współczesna fizyka od dekad zmaga się z problemem dekoherencji. W teorii prawa mechaniki kwantowej powinny obowiązywać wszędzie, w praktyce oddziaływanie z otoczeniem błyskawicznie niszczy stany kwantowe w większych obiektach, przywracając klasyczne reguły newtonowskie.
Odpinany tyłek z własnym mózgiem i szczęki z „bio-metalu”. Inżynierowie uczą się od morskich robaków
Eksperyment zespołu pod kierownictwem Anshumana Nayaka z Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), opublikowany w Science Advances, pokazuje nową metodę testowania tej granicy. Naukowcy nie próbowali jednak stworzyć „widzialnej superpozycji”, lecz użyli kwantowego zjawiska jako precyzyjnego silnika napędzającego klasyczny rezonator.
Diament, grafit i lewitacja magnetyczna
Badacze skonstruowali miniaturowy układ mechaniczny o łącznej masie **128 miligramów. Jego podstawę stanowiła płytka z pirolitycznego grafitu, która dzięki silnym właściwościom diamagnetycznym unosiła się stabilnie nad matrycą magnesów neodymowych bez kontaktu z podłożem. Do płytki przymocowano cienki pręt z włókna węglowego, na którego końcu osadzono syntetyczny mikrokryształ diamentu z centrami azot-wakat (centra NV).
Centra NV to specyficzne defekty sieci krystalicznej, w których uwięzione elektrony zachowują wyraźny spin – elementarny kwantowy moment pędu. Oświetlając diament zielonym laserem, naukowcy spolaryzowali te spiny, a umieszczenie układu w zmiennym gradiencie pola magnetycznego wygenerowało siłę mechaniczną. Ta siła wymusiła mierzalny ruch oscylacyjny całej 128-miligramowej konstrukcji.
Winda Einsteina w świecie kwantów. Zmierzono najdziwniejszy swobodny spadek w historii fizyki
Pikometry zamiast magii
Nie mamy tu do czynienia z „kwantowym ruchem widzianym gołym okiem”. Sam układ można wziąć w pęsetę, ale wywołane przez spiny oscylacje miały amplitudę rzędu zaledwie pikometrów (bilionowych części metra) i były rejestrowane za pomocą wysoce czułego interferometru laserowego.
Co więcej, układ w obecnej formie charakteryzuje się skromnym współczynnikiem dobroci na poziomie Q = 55 (tu wyjaśnię, że dobroć w fizyce to miara tego, jak długo układ potrafi sam z siebie drgać, zanim straci energię na tarcie czy opory otoczenia). Oznacza to, że rezonator jest silnie tłumiony i daleko mu do bezstratnego oscylatora kwantowego. Kluczowy jest jednak fakt, że po raz pierwszy sprzężono siłę generowaną przez zjawisko kwantowe z obiektem o tak dużej masie bez użycia klasycznych siłowników elektrycznych czy bezpośredniego ciśnienia światła.
Most do testów grawitacji
Dlaczego ten wynik jest istotny? Masa rzędu 128 miligramów to w świecie precyzyjnej metrologii waga ciężka. W przeciwieństwie do pojedynczych atomów taki obiekt wyraźnie podlega ziemskiemu ciążeniu.
Eksperyment OIST nie jest jeszcze gotowym grawimetrem – to na razie czysty proof-of-concept. Pokazuje jednak ścieżkę do budowy hybrydowych układów mechaniczno-kwantowych. W przyszłości, po dopracowaniu próżni i podniesieniu dobroci oscylatora, podobne platformy mogą posłużyć do weryfikacji jednej z największych zagadek fizyki: jak grawitacja zachowuje się na styku ze stanami kwantowymi i czy sama może prowadzić do kwantowej dekoherencji.
