Ένας νανορότορας από διοξείδιο του πυριτίου παγιδεύεται από μια οπτική λαβίδα (κόκκινο) μέσα σε έναν οπτικό συντονιστή (μπλε) που σχηματίζεται από δύο αντίθετα τοποθετημένους καθρέφτες. Όταν ψύχεται κοντά στη δισδιάστατη κβαντική βασική του κατάσταση παγιδευμένης περιστροφής, η ευθυγράμμιση του ρότορα στο δυναμικό παγίδευσης πλησιάζει το όριο της κβαντικής αβεβαιότητας (λευκός κώνος). (ΠΗΓΗ: Πανεπιστήμιο της Βιέννης)
Το Τvxs είναι από τα λίγα ανεξάρτητα μέσα ενημέρωσης. Η επιβίωσή του εξαρτάται από τη βοήθειά σας. Γραφτείτε συνδρομητές – Κάντε δωρεά Ένα εντυπωσιακό βήμα στα όρια της κβαντικής φυσικής πέτυχε διεθνής ομάδα ερευνητών, καταφέρνοντας να ψύξει την περιστροφική κίνηση ενός νανοσωματιδίου στο χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο που επιτρέπουν οι νόμοι της φύσης. Ads Το πρωτοποριακό επίτευγμα φέρνει πιο κοντά νέα πειράματα κβαντικής φυσικής και υπερευαίσθητους αισθητήρες, όπως τονίζει το σχετικό θέμα του SciTechDaily. Ads Η έρευνα, που πραγματοποιήθηκε από επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Βιέννης σε συνεργασία με το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης (TU Wien) και το Πανεπιστήμιο του Ουλμ στη Γερμανία, δημοσιεύθηκε σαν έρευνα στο περιοδικό Nature Physics και ανοίγει νέους δρόμους για την κατανόηση της κβαντικής συμπεριφοράς μεγάλων αντικειμένων – πάντα στα πλαίσια μεγεθών της κβαντικής Φυσικής. Ads Παρότι η κβαντική μηχανική προβλέπει ότι κανένα σωματίδιο δεν μπορεί να παραμείνει απολύτως ακίνητο, οι ερευνητές κατάφεραν να περιορίσουν τον προσανατολισμό ενός αιωρούμενου νανορότορα πυριτίου στα όρια που επιβάλλουν οι λεγόμενες κβαντικές διακυμάνσεις μηδενικού σημείου – οι ελάχιστες αναπόφευκτες ταλαντώσεις που απορρέουν από την Αρχή της Αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ. Ads Το επίτευγμα θεωρείται καθοριστικό για μελλοντικά πειράματα κβαντικής συμβολομετρίας και για την ανάπτυξη εξαιρετικά ακριβών αισθητήρων μέτρησης μικροσκοπικών ροπών.
Όταν η περιστροφή φτάνει στα όρια της κβαντικής φυσικής
Σε φυσιολογικές συνθήκες, τα μικροσκοπικά σωματίδια κινούνται και περιστρέφονται συνεχώς λόγω της θερμικής ενέργειας που διαθέτουν. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο εντονότερη είναι αυτή η κίνηση.
Η κλασική φυσική θα επέτρεπε θεωρητικά σε ένα αντικείμενο να ψυχθεί μέχρι να σταματήσει εντελώς. Η κβαντική μηχανική, όμως, θέτει ένα θεμελιώδες όριο: ακόμη και στο απόλυτο μηδέν, ένα σωματίδιο διατηρεί ένα ελάχιστο ποσό ενέργειας και δεν μπορεί ποτέ να ευθυγραμμιστεί ή να ακινητοποιηθεί απόλυτα.
Οι ερευνητές παγίδευσαν νανοσωματίδια πυριτίου μέσα σε εξαιρετικά ισχυρές δέσμες λέιζερ, σε περιβάλλον υπερυψηλού κενού. Εκεί τα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν σχεδόν ιδανικοί αρμονικοί ταλαντωτές, παρουσιάζοντας τόσο μεταφορικές όσο και περιστροφικές ταλαντώσεις.
Όταν η θερμοκρασία μειώθηκε σε λιγότερο από το ένα δεκάκις χιλιοστό του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν – περίπου 0,0001 βαθμούς Κελσίου – η συμπεριφορά του συστήματος έπαψε να είναι συνεχής. Η ενέργεια μπορούσε πλέον να μεταβάλλεται μόνο σε διακριτά «σκαλοπάτια», γνωστά ως κβαντικά ενεργειακά επίπεδα.
Το χαμηλότερο από αυτά είναι η λεγόμενη κβαντική θεμελιώδης κατάσταση, στην οποία παραμένει πάντοτε μια ελάχιστη ποσότητα ενέργειας.
Ένας νανορότορας σε σχήμα αλτήρα
Η ομάδα των Μάρκους Άρνττ, Ούρος Ντέλιτς και Μπένγιαμιν Στίκλερ χρησιμοποίησε έναν μικροσκοπικό ρότορα που έμοιαζε με αλτήρα και αποτελούνταν από δύο σφαίρες διοξειδίου του πυριτίου διαμέτρου μόλις 150 νανομέτρων η καθεμία.
Το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ λειτουργούσε σαν ένα αόρατο ελατήριο που συγκρατούσε και ευθυγράμμιζε το σωματίδιο.
Αρχικά, ο νανορότορας εξακολουθούσε να περιστρέφεται λόγω της θερμικής ενέργειας. Με τη σταδιακή εφαρμογή οπτικής ψύξης, η θερμοκρασία του έπεσε σε λίγες δεκάδες μικροκέλβιν πάνω από το απόλυτο μηδέν, επιτρέποντας στα κβαντικά φαινόμενα να κυριαρχήσουν.
Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες κατάφεραν να ψύξουν και να ελέγξουν την περιστροφή του αντικειμένου ταυτόχρονα σε δύο διαφορετικούς άξονες.
Ακόμη και σε αυτό το ακραίο επίπεδο ελέγχου, η κατεύθυνση του νανορότορα δεν μπορεί να καθοριστεί απόλυτα. Παραμένει μια αναπόφευκτη αβεβαιότητα περίπου 20 μικροακτινίων – δηλαδή μόλις 0,0011 μοίρες.
«Η άκρη του ρότορα μετακινείται λιγότερο από το ένα εκατοστό της διαμέτρου ενός ατόμου», εξηγεί ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Στέφαν Τρόγιερ. «Είναι σαν να μπορούσε μια πυξίδα να δείχνει την κατεύθυνση με ακρίβεια μεγαλύτερη από το πλάτος ενός βακτηρίου».
Ένα νέο παράθυρο στον κβαντικό κόσμο
Η σημασία του επιτεύγματος δεν περιορίζεται στην τεχνική του διάσταση.
Τα περισσότερα κβαντικά πειράματα σήμερα πραγματοποιούνται με μεμονωμένα άτομα, ιόντα ή μόρια. Οι συγκεκριμένοι νανορότορες, όμως, περιέχουν περίπου 100 εκατομμύρια άτομα και παρ’ όλα αυτά εξακολουθούν να υπακούουν στους νόμους της κβαντικής φυσικής.
Η περιστροφική κίνηση παρουσιάζει μάλιστα μοναδικά φαινόμενα που δεν εμφανίζονται σε γραμμικά συστήματα.
Εάν απενεργοποιηθεί το φως που παγιδεύει το σωματίδιο, ο ρότορας μπορεί να βρεθεί σε κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης, δηλαδή να περιστρέφεται ταυτόχρονα προς όλες τις πιθανές κατευθύνσεις.
Με την πάροδο του χρόνου, ο αρχικός προσανατολισμός του εξαπλώνεται και χάνεται, για να επανεμφανιστεί αργότερα με προβλέψιμο τρόπο. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως «κβαντική αναβίωση» και αποτελεί βασικό στοιχείο της περιστροφικής συμβολομετρίας ύλης.
Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι η παρατήρησή του θα απαιτήσει ακόμη μικρότερα σωματίδια, ίσως συγκρίσιμα σε μέγεθος με τον ιό του μωσαϊκού του καπνού, ο οποίος είναι περίπου εκατό φορές ελαφρύτερος από τον νανορότορα που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα.
«Η ομορφιά της μεθόδου ψύξης δύο διαστάσεων είναι ότι μπορεί να εφαρμοστεί σε διαφορετικές κλίμακες», σημειώνει ο Τρόγιερ: «Η ψύξη γίνεται ευκολότερη όσο μεγαλώνει το αντικείμενο, αλλά εφαρμόζοντας την τεχνική μας σε μικρότερες δομές ελπίζουμε να παρατηρήσουμε φαινόμενα κβαντικής παρεμβολής στην περιστροφή. Πρόκειται για ένα ιδανικό σύστημα για να εξερευνήσουμε το όριο ανάμεσα στον κβαντικό κόσμο και την καθημερινή πραγματικότητα».
Πώς το φως «παγώνει» την κίνηση
Για να επιτύχουν τόσο ακραίες θερμοκρασίες, οι ερευνητές αξιοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται ψύξη μέσω συνεκτικής σκέδασης.
Το νανοσωματίδιο παγιδεύεται σε εξαιρετικά ισχυρό πεδίο φωτός έντασης περίπου 100 μεγαβάτ ανά τετραγωνικό εκατοστό και στη συνέχεια σκεδάζει φωτόνια προς έναν οπτικό συντονιστή.
Κάθε φωτόνιο που διασκορπίζεται αφαιρεί μία μονάδα περιστροφικής ενέργειας από το σωματίδιο και τη μεταφέρει στο πεδίο φωτός. Επαναλαμβάνοντας τη διαδικασία αμέτρητες φορές, η ενέργεια του νανορότορα μειώνεται σταδιακά μέχρι να φτάσει στην κβαντική θεμελιώδη κατάσταση.
Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι η νέα τεχνική μπορεί να αποτελέσει τη βάση για μια νέα γενιά κβαντικών αισθητήρων, ικανών να ανιχνεύουν απειροελάχιστες ροπές και δυνάμεις με πρωτοφανή ακρίβεια, ενώ παράλληλα προσφέρει ένα μοναδικό εργαστήριο για τη μελέτη των ορίων ανάμεσα στον κβαντικό και τον μακροσκοπικό κόσμο. Μάθε τι πραγματικά συμβαίνει πίσω από τον καταιγισμό ειδήσεων ΕΓΓΡΑΦΗ ΣΤΟ NEWSLETTER ΤΟΥ TVXS Με την εγγραφή σας αποδέχεστε τους Όρους Χρήσης και την Πολιτική Απορρήτου Πρέπει να συμφωνήσετε με τους όρους. Ακολουθήστε το tvxs.gr στο Google News και μάθετε πρώτοι όλες τις ειδήσεις Tags Κβαντική Φυσικήνανοσωματίδια Follow Στην Ελλάδα τα ΜΜΕ που στηρίζουν τις νεοφιλελεύθερες πολιτικές, χρημαδοτούνται από το … κράτος. Tο tvxs.gr στηρίζεται στους αναγνώστες του και αποτελεί μια από τις ελάχιστες ανεξάρτητες φωνές στη χώρα. Mε μια συνδρομή, από 2.9 €/μήνα,ενισχύετε την αυτονομία του tvxs.gr και των δημοσιογραφικών του ερευνών. Συγχρόνως αποκτάτε πρόσβαση στα ντοκιμαντέρ και το περιεχόμενο του 24ores.gr.
Δες τα πακέτα συνδρομών > Ενίσχυσε την ανεξαρτησία μας
Γίνε συνδρομητής στο TVXS Δες τα πακέτα συνδρομών > ΡΟΗ ΕΙΔΗΣΕΩΝ ΔΗΜΟΦΙΛΗ >Δείτε τις Ειδήσεις με χρονολογική σειρά