פתיחת סודות קוונטיים: הריקוד המהפכני של ננו-חלקיקים

מחקר חדשני ממנף את האופטומכניקה המרחפת כדי לצפות בתופעות קוונטיות באובייקטים גדולים יותר, ומציע יישומים פוטנציאליים בחישה קוונטית ומגשר על הפער בין מכניקת הקוונטים למכניקה הקלאסית.

השאלה היכן עובר הגבול בין הפיזיקה הקלאסית והקוונטית היא אחד העיסוקים ארוכי השנים של המחקר המדעי המודרני, ובמחקר חדש שמתפרסם היום, מדענים מדגימים פלטפורמה חדשה שיכולה לעזור לנו למצוא תשובה.

חוקי הפיזיקה הקוונטית שולטים בהתנהגותם של חלקיקים בקנה מידה זעיר, מה שמוביל לתופעות כמו הסתבכות קוונטית, שבה תכונותיהם של חלקיקים הסתבכו נעשים קשורים קשר בל יינתק בדרכים שאינן ניתנות להסבר על ידי הפיזיקה הקלאסית.

תופעות קוונטיות בעצמים גדולים יותר

מחקר בפיזיקה קוונטית עוזר לנו למלא פערים בידע שלנו בפיזיקה ויכול לתת לנו תמונה שלמה יותר של המציאות, אבל הסולמות הזעירים שבהם פועלות מערכות קוונטיות עלולים להקשות על התצפית והלימוד שלהן.

במהלך המאה האחרונה, פיזיקאים צפו בהצלחה בתופעות קוונטיות בעצמים הולכים וגדלים, כל הדרך מחלקיקים תת-אטומיים כמו אלקטרונים ועד מולקולות המכילות אלפי אטומים.

לאחרונה, תחום האופטו-מכניקת הריחוף, העוסק בשליטה על עצמים בקנה מידה מיקרוני במסה גבוהה בוואקום, שואף לדחוף את המעטפת עוד יותר על ידי בדיקת תקפותן של תופעות קוונטיות בעצמים שכבדים בכמה סדרי גודל מאטומים. מולקולות. עם זאת, ככל שהמסה והגודל של עצם גדלים, האינטראקציות המביאות לתכונות קוונטיות עדינות, כגון הסתבכות, הולכים לאיבוד לסביבה, וכתוצאה מכך ההתנהגות הקלאסית שאנו צופים בה.

התגברות על רעש סביבתי

אבל כעת, הצוות בראשות ד"ר ג'יידב ויג'יאן, ראש המעבדה להנדסה קוונטית באוניברסיטת מנצ'סטר, יחד עם מדענים מ-ETH ציריך ותיאורטיקנים מאוניברסיטת אינסברוק, הקימו גישה חדשה להתגבר על בעיה זו. ניסוי שבוצע ב-ETH ציריך, שפורסם בכתב העת פיזיקת הטבע.

ד"ר ויג'יאן אמר: "כדי לצפות בתופעות קוונטיות בקנה מידה גדול יותר ולשפוך אור על המעבר הקלאסי-קוונטי, יש לשמר תכונות קוונטיות בנוכחות רעש מהסביבה. כפי שאתה יכול לדמיין, ישנן שתי דרכים לעשות זאת- האחת היא לדכא את הרעש, והשנייה היא להגביר את התכונות הקוונטיות.

"המחקר שלנו מדגים דרך להתמודד עם האתגר על ידי נקיטת הגישה השנייה. אנו מראים כי ניתן להגביר את האינטראקציות הדרושות להסתבכות בין שני חלקיקי זכוכית כלואים אופטית בגודל 0.1 מיקרון במספר סדרי גודל כדי להתגבר על הפסדים לסביבה".

המדענים הניחו את החלקיקים בין שתי מראות מחזירות אור היוצרות חלל אופטי. בדרך זו, הפוטונים שמפזרים כל חלקיק קופצים בין המראות כמה אלפי פעמים לפני שהם יוצאים מהחלל, מה שמוביל לסיכוי גבוה משמעותית לאינטראקציה עם החלקיק השני.

יוהנס פיוטרובסקי, ראש משותף של המאמר מ-ETH ציריך הוסיף: "למרבה הפלא, מכיוון שהאינטראקציות האופטיות מתווכות על ידי החלל, החוזק שלו אינו מתפוגג עם המרחק, כלומר נוכל לקשר חלקיקים בקנה מידה מיקרוני על פני כמה מילימטרים."

החוקרים גם מדגימים את היכולת המדהימה להתאים או לשלוט בחוזק האינטראקציה על ידי שינוי תדרי הלייזר והמיקום של החלקיקים בתוך החלל.

יישומים מעשיים וכיוונים עתידיים

הממצאים מייצגים קפיצת מדרגה משמעותית לקראת הבנת הפיזיקה הבסיסית, אך גם טומנים בחובם הבטחה ליישומים מעשיים, במיוחד בטכנולוגיית חיישנים שיכולה לשמש לניטור סביבתי וניווט לא מקוון.

ד"ר קרלוס גונזלס-בלסטרו, משתף פעולה מהאוניברסיטה הטכנית של וינה אמר: "חוזק המפתח של חיישנים מכניים מרחפים הוא המסה הגבוהה שלהם ביחס למערכות קוונטיות אחרות המשתמשות בחישה. המסה הגבוהה הופכת אותם למתאימים היטב לזיהוי כוחות כבידה ותאוצות, וכתוצאה מכך רגישות טובה יותר. ככזה, חיישנים קוונטיים יכולים לשמש ביישומים רבים ושונים בתחומים שונים, כמו ניטור קרח קוטבי למחקר אקלים ומדידת תאוצות למטרות ניווט".

פיוטרובסקי הוסיף: "זה מרגש לעבוד על הפלטפורמה החדשה יחסית הזו ולבדוק עד כמה אנחנו יכולים לדחוף אותה למשטר הקוונטי".

כעת, צוות החוקרים ישלב את היכולות החדשות עם טכניקות קירור קוונטיות מבוססות, בצעד לקראת אימות הסתבכות קוונטית. אם תצליח, השגת ההסתבכות של חלקיקי ננו ומיקרו מרחפים עלולה לצמצם את הפער בין עולם הקוונטים למכניקה הקלאסית היומיומית.

במכון הפוטון למדע ובמחלקה להנדסת חשמל ואלקטרוניקה באוניברסיטת מנצ'סטר, הצוות של ד"ר ג'יידב ויג'יאן ימשיך לעבוד באופטומכניקה מרוחקת, לרתום אינטראקציות בין חלקיקים מרובים ליישומים בחישה קוונטית.