Forskare i Österrike har använt lasrar för att sväva och kyla en glasnanopartikel in i kvantregimen. Även om den är instängd i en rumstemperaturmiljö, partikelns rörelse styrs enbart av kvantfysikens lagar. Teamet av forskare från universitetet i Wien, österrikiska vetenskapsakademin och Massachusetts Institute of Technology (MIT) publicerade sin nya studie i tidskriften Vetenskap .

Det är välkänt att kvantegenskaper hos enskilda atomer kan kontrolleras och manipuleras med laserljus. Även stora moln av hundratals miljoner atomer kan tryckas in i kvantregimen, ger upphov till makroskopiska kvanttillstånd av materia såsom kvantgaser eller Bose-Einstein-kondensat, som idag också används flitigt inom kvantteknik. Ett spännande nästa steg är att utöka denna nivå av kvantkontroll till objekt i fast tillstånd. I motsats till atommoln, densiteten hos ett fast ämne är en miljard gånger högre, och alla atomer är bundna att röra sig tillsammans längs föremålets masscentrum.

Dock, Att gå in i denna nya regim är inte alls en enkel strävan. Ett första steg för att uppnå en sådan kvantkontroll är att isolera föremålet som undersöks från miljöpåverkan och att ta bort all termisk energi – genom att kyla ner den till temperaturer mycket nära absolut noll (-273,15 grader Celsius) så att kvantmekaniken dominerar partikelns rörelse. För att visa detta, forskarna valde att experimentera med en glaspärla som är ungefär 1000 gånger mindre än ett sandkorn och som innehåller några hundra miljoner atomer. Isolering från omgivningen uppnås genom att optiskt fånga partikeln i en hårt fokuserad laserstråle i högvakuum, ett trick som ursprungligen introducerades av nobelpristagaren Arthur Ashkin för många decennier sedan, och som också används för att isolera atomer. "Den verkliga utmaningen är att kyla partikelrörelsen till dess kvantgrundtillstånd. Laserkylning via atomära övergångar är väletablerad och ett naturligt val för atomer, men det fungerar inte för fasta ämnen, säger huvudförfattaren Uros Delic från universitetet i Wien.

Av denna anledning, teamet har arbetat med att implementera en laserkylningsmetod som föreslogs av den österrikiske fysikern Helmut Ritsch vid universitetet i Innsbruck och, oberoende av, av studiens medförfattare Vladan Vuletic och nobelpristagaren Steven Chu. De hade nyligen tillkännagett en första demonstration av arbetsprincipen, hålighetskylning genom koherent spridning; dock, de var fortfarande begränsade till att verka långt borta från kvantregimen.

"Vi har uppgraderat vårt experiment och kan nu inte bara ta bort mer bakgrundsgas, men också att skicka in fler fotoner för kylning, säger Delic. På det sättet, rörelsen av glaspärlan kan kylas rakt in i kvantregimen. "Det är roligt att tänka på detta:Ytan på vår glaspärla är extremt varm, runt 300 grader Celsius, eftersom lasern värmer upp elektronerna i materialet. Men rörelsen för partikelns massacentrum är ultrakall, runt 0,00001 grader Celsius från absoluta nollpunkten, och vi kan visa att den heta partikeln rör sig på ett kvantmässigt sätt."

Forskarna är entusiastiska över utsikterna för deras arbete. Fasta ämnens kvantrörelse har också undersökts av andra grupper runt om i världen, tillsammans med Wien-laget. Än så länge, experimentella system bestod av nano- och mikromekaniska resonatorer - i huvudsak, trummor eller hoppbrädor som är fastklämda i en styv stödkonstruktion. "Optisk levitation ger mycket mer frihet:genom att ändra den optiska fällan - eller till och med stänga av den - kan vi manipulera nanopartikelrörelsen på helt nya sätt, säger Nikolai Kiesel, medförfattare och biträdande professor vid universitetet i Wien.

Flera system i denna linje har föreslagits, bland annat av de österrikiska fysikerna Oriol Romero-Isart och Peter Zoller vid Innsbruck, och kan nu bli möjligt. Till exempel, i kombination med det nyligen uppnådda rörelsegrundtillståndet förväntar sig författarna att detta öppnar nya möjligheter för oöverträffad avkänningsprestanda, studiet av grundläggande processer för värmemotorer i kvantregimen, samt studiet av kvantfenomen som involverar stora massor. "För ett decennium sedan, vi startade detta experiment motiverat av utsikten till en ny kategori av kvantexperiment. Vi har äntligen öppnat dörren till denna regim."