Kvantoví fyzici poprvé dosáhli významné „optické levitace“

TLDR: Vědci z ETH v Curychu zachytili pomocí laserového světla malou skleněnou kuličku o velikosti sto nanometrů a zpomalili její pohyb na nejnižší kvantově mechanický stav. To by mohlo vědátorům pomoci při studiu kvantových efektů v makroskopických objektech a při konstrukci extrémně citlivých senzorů. Studie tuna.

Dnes do nanosvěta

Kvantová fyzika je obor tak významný, jako pro laika i nepřehledný! A tak si ho dnes zjednodušíme něčím, co pro lidi může něco hmatatelného znamenat – totiž levitací! Ale než se k ní dostaneme, budeme si stejně muset připomenout dosavadní vývoj…

Všechny ty Schródingerovské mačky, provázané částice a další hlavolamy přeskočíme – protože je přeskakujou i sami vědátoři! I když platí jevy kvantové fyziky jaksi jenom pro kvantový (tj. FAKT MALÝ) svět, v posledních letech se vědcům daří přimět stále větší objekty, aby se chovaly kvantově-mechanicky! Jedním z důsledků toho je, že při průchodu dvojitou štěrbinou tyto FAKT VĚTŠÍ objekty vytvářejí interferenční obrazec, který je charakteristický pro vlny (tj. objekty FAKT MENŠÍ).

Dosud se to podařilo u molekul složených z několika tisíc atomů. Fyzikové však doufají, že jednoho dne budou moci takové kvantové efekty pozorovat i u řádně makroskopických objektů. Nyní profesor fotoniky Lukáš Novotný a jeho spolupracovníci z katedry informačních technologií a elektrotechniky na ETH v Curychu k takovému snu učinili zásadní krok, když dosáhli nového milníku v kvantové levitaci!

Kvantová levitace pro každého! Zdroj: Public Domain
Kvantová levitace pro každého! Zdroj: Public Domain

Jak to celé funguje?

Spoiler Alert na úvod: makroskopickým objektem v Novotného laboratoři je malá koule vyrobená ze skla. Ačkoli má v průměru pouhých sto nanometrů, skládá se až z 10 milionů atomů. Což je podstatně víc než u podobných srand doposud. Pomocí úzce zaměřeného laserového paprsku se pak v rámci pokusu koule vznáší v optické pasti uvnitř vakuové nádoby ochlazené na 269 stupňů pod nulou. Čím nižší je teplota, tím menší je tepelný pohyb

Abychom však jasně viděli kvantové efekty, je třeba kuličku ještě více zpomalit, a to až na její pohybový základní stav! Oscilace sféry, a tedy i její pohybová energie, jsou tak sníženy až do bodu, kdy kvantově mechanická relace neurčitosti zakazuje další snížení. To znamená, že jsme pohybovou energii koule zmrazili na minimum, které se blíží kvantově mechanickému pohybu v nulovém bodě

Což je cool. Ale proč je to cool i pro lidi, kteří se furt nechytají?

První kvantové řízení ve volném čase!

Ke zpomalení kvantového stavu vědci používají metodu, která je dobře známá ze zpomalování houpačky na dětském hřišti: stačí správné množství tlačení nebo tahání správným směrem, podle toho, kde se houpačka zrovna nachází. U houpačky se stačí dobře podívat a podle toho jednat. V případě naší nanokuličky se k tlačení používá laser.

Z polohy tohoto interferenčního obrazce lze odvodit, kde se koule nachází uvnitř laserové pasti. Tato informace se následně použije k výpočtu, jak silně je třeba kouli tlačit nebo táhnout, aby se zpomalila. A je to právě tohle, co je na nové studii skutečně nové!

Je to poprvé, kdy byla tato metoda použita k ovládání kvantového stavu makroskopického objektu ve volném prostoru! Takto vznášející se objektík je méně náchylný k rušivým vlivům a vypnutím laserového světla lze v případě potřeby zkoumat sféru zcela izolovaně. To nám může přinést řadu nových poznatků o kvantových jevech

A ty pak jednou mohou být užity i pro aplikované srandičky!

Nanosféra se vznáší pomocí fokusovaného laserového světla (a). Laserové světlo funguje jako past, ve které může koule oscilovat sem a tam (b). Ke zpomalení tohoto pohybu se používá elektrické pole. Zdroj: ETH Zurich
Nanosféra se vznáší pomocí fokusovaného laserového světla (a). Laserové světlo funguje jako past, ve které může koule oscilovat sem a tam (b). Ke zpomalení tohoto pohybu se používá elektrické pole. Zdroj: ETH Zurich

No supr, ale co s tím?

Takové izolované zkoumání nabývá na významu zejména při pokusech skutečně provádět s nanosférou interferenční experimenty, jaké byly pozorovány se světelnými vlnami. Vzhledem k tomu, že citlivost různých senzorů roste s rostoucí hmotností kvantově mechanicky interferujícího objektu, mohly by být senzory pomocí nanokuličkových pokusů nesmírně vylepšeny!

Kdy taková budoucnost ale dojde, je otázkou na jiný hypotetický článek – nejspíše takový, v němž dorazí předpovídání budoucnosti! To sice berte jako vtip, je však znát, že při žertování o možnostech kvantovky můžou už lidem zamrzat úsměvy na tváři – a to nejenom kvůli teplotě blízké absolutní nule!

 [JohnK3, Ladislav Loukota, JRN]

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – jeho kontaktní mail je vedatororg@seznam.cz

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Reklama