Man skulle kunna tro att den optiska pincetten - en fokuserad laserstråle som kan fånga små partiklar - nu är en gammal hatt. Trots allt, pincetten uppfanns av Arthur Ashkin 1970. Och han fick Nobelpriset för det i år-förmodligen efter att dess huvudsakliga konsekvenser hade förverkligats under det senaste halvseklet.

Otroligt, detta är långt ifrån sant. Den optiska pincetten avslöjar nya möjligheter samtidigt som den hjälper forskare att förstå kvantmekanik, teorin som förklarar naturen i termer av subatomära partiklar.

Denna teori har lett till några konstiga och kontraintuitiva slutsatser. En av dem är att kvantmekaniken tillåter att ett enda objekt existerar i två olika verklighetstillstånd samtidigt. Till exempel, kvantfysik gör att en kropp kan befinna sig på två olika platser i rymden samtidigt - eller både död och levande, som i det berömda tankeexperimentet av Schrödingers katt.

Det tekniska namnet på detta fenomen är superposition. Superpositioner har observerats för små föremål som enstaka atomer. Men helt klart, vi ser aldrig en superposition i våra vardagsliv. Till exempel, vi ser inte en kopp kaffe på två platser samtidigt.

För att förklara denna observation, teoretiska fysiker har föreslagit att för stora föremål - även för nanopartiklar som innehåller ungefär en miljard atomer - kollapsar superpositioner snabbt till den ena eller den andra av de två möjligheterna, på grund av en nedbrytning av standardkvantmekanik. För större objekt är kollapshastigheten snabbare. För Schrodingers katt, denna kollaps - till "levande" eller "död" - skulle vara praktiskt taget omedelbar, förklara varför vi aldrig ser överlagringen av en katt som befinner sig i två tillstånd samtidigt.

Tills nyligen, dessa "kollapssteorier, "vilket skulle kräva modifieringar av kvantmekanik i läroboken, kunde inte testas, eftersom det är svårt att förbereda ett stort föremål i en superposition. Detta beror på att större objekt interagerar mer med sin omgivning än atomer eller subatomära partiklar - vilket leder till värmeläckage som förstör kvanttillstånd.

Som fysiker, vi är intresserade av kollapsteorier eftersom vi skulle vilja förstå kvantfysiken bättre, och specifikt för att det finns teoretiska indikationer på att kollapsen kan bero på gravitationseffekter. En koppling mellan kvantfysik och gravitation skulle vara spännande att hitta, eftersom all fysik vilar på dessa två teorier, och deras enhetliga beskrivning-den så kallade Theory of Everything-är ett av moderna vetenskapens stora mål.

Ange den optiska pincetten

Optisk pincett utnyttjar det faktum att ljus kan utöva tryck på materia. Även om strålningstrycket från en intensiv laserstråle är ganska litet, Ashkin var den första personen som visade att den var tillräckligt stor för att stödja en nanopartikel, motverka tyngdkraften, effektivt sväva det.

År 2010 insåg en grupp forskare att en sådan nanopartikel som innehölls av en optisk pincett var välisolerad från omgivningen, eftersom det inte var i kontakt med något materiellt stöd. Efter dessa idéer, flera grupper föreslog sätt att skapa och observera superpositioner av en nanopartikel på två olika rumsliga platser.

Ett spännande system som föreslogs av grupperna Tongcang Li och Lu Ming Duan 2013 involverade en nanodiamondkristall i en pincett. Nanopartikeln sitter inte stilla i pincetten. Snarare, det svänger som en pendel mellan två platser, med den återställande kraften som kommer från strålningstrycket på grund av lasern. Ytterligare, denna diamant -nanokristall innehåller en förorenande kväveatom, som kan ses som en liten magnet, med en nordpol och en sydpol.

Li-Duan-strategin bestod av tre steg. Först, de föreslog att kyla nanopartikelns rörelse till dess kvantjordtillstånd. Detta är det lägsta energitillståndet denna typ av partikel kan ha. Vi kan förvänta oss att partikeln i detta tillstånd slutar röra sig och inte svänger alls. Dock, om det hände, vi skulle veta var partikeln var (i mitten av pincetten), liksom hur snabbt det rörde sig (inte alls). Men samtidig perfekt kunskap om både position och hastighet tillåts inte av den berömda Heisenbergs osäkerhetsprincip för kvantfysik. Således, även i dess lägsta energitillstånd, partikeln rör sig lite, tillräckligt för att tillfredsställa kvantmekanikens lagar.

Andra, Li och Duan -schemat krävde att den magnetiska kväveatomen var beredd i en superposition av dess nordpol som pekade uppåt och nedåt.

Till sist, ett magnetfält behövdes för att koppla kväveatomen till rörelsen hos den leviterade diamantkristallen. Detta skulle överföra atomens magnetiska superposition till nanokristallens superposition. Denna överföring möjliggörs av det faktum att atomen och nanopartikeln är intrasslade av magnetfältet. Det sker på samma sätt som superpositionen av det sönderfallna och inte sönderfallna radioaktiva provet omvandlas till superpositionen av Schrodingers katt i döda och levande tillstånd.

Bevisar kollapsteorin

Det som gav denna teoretiska arbetständer var två spännande experimentella utvecklingar. Redan 2012 visade grupperna Lukas Novotny och Romain Quidant att det var möjligt att kyla en optiskt leviterad nanopartikel till en hundradels grad över absolut noll - den lägsta temperaturen teoretiskt möjligt - genom att modulera intensiteten hos den optiska pincetten. Effekten var densamma som att bromsa ett barn i en gunga genom att trycka på vid rätt tidpunkter.

År 2016 kunde samma forskare svalna till en tiotusendelsgrad över den absoluta nollan. Ungefär vid denna tidpunkt publicerade våra grupper ett papper om att temperaturen som krävs för att nå kvantjordtillståndet för en pincett av nanopartiklar var cirka en miljonedel av graden över absolut noll. Detta krav är utmanande, men inom räckhåll för pågående experiment.

Den andra spännande utvecklingen var den experimentella levitationen av en kväve-defektbärande nanodiamond 2014 i Nick Vamivakas grupp. Med hjälp av ett magnetfält, de kunde också uppnå den fysiska kopplingen av kväveatomen och kristallrörelsen som krävs i det tredje steget i Li-Duan-schemat.

Loppet fortsätter nu för att nå marken så att-enligt Li-Duan-planen-kan ett objekt på två platser observeras kollapsa till en enda enhet. Om superpositionerna förstörs i den takt som kollapsteorierna förutsäger, kvantmekanik som vi känner till den måste revideras.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.