För det mänskliga ögat, de flesta stationära föremål verkar vara just det - fortfarande, och helt i vila. Men om vi fick en kvantlins, så att vi kan se objekt i skalan för enskilda atomer, det som var ett äpple som låg vilande på vårt skrivbord skulle framstå som en myllrande samling av vibrerande partiklar, mycket i rörelse.

Under de senaste decennierna har fysiker har hittat sätt att superkyla föremål så att deras atomer nästan står stilla, eller i deras "rörelsegrundstillstånd". Hittills, fysiker har brottats med små föremål som moln med miljontals atomer, eller objekt i nanogramskala, i sådana rena kvanttillstånd.

Nu för första gången, forskare vid MIT och på andra håll har svalnat en stor, objekt i människoskala för att stänga sitt rörliga grundtillstånd. Objektet är inte påtagligt i den meningen att det ligger på en plats, men är den kombinerade rörelsen för fyra separata objekt, varje väger cirka 40 kilo. "Objektet" som forskarna kylde har en uppskattad massa på cirka 10 kilo, och omfattar cirka 1x10 ²⁶ , eller nästan 1 oktiljon, atomer.

Forskarna utnyttjade Laser Interfrometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) förmåga att mäta massornas rörelse med extrem precision och superkyl massornas kollektiva rörelse till 77 nanokelvin, bara blyg för objektets förutsagda marktillstånd på 10 nanokelvin.

Deras resultat, visas idag i Vetenskap , representerar det största objektet som ska kylas till nära dess rörelsejordtillstånd. Forskarna säger att de nu har en chans att observera tyngdkraftens effekt på ett massivt kvanteobjekt.

"Ingen har någonsin observerat hur gravitation påverkar massiva kvanttillstånd, "säger Vivishek Sudhir, biträdande professor i maskinteknik vid MIT, som ledde projektet. "Vi har visat hur man förbereder kilogramskala objekt i kvanttillstånd. Detta öppnar äntligen dörren till en experimentell studie av hur gravitation kan påverka stora kvanteobjekt, något som hittills bara drömt om. "

Studiens författare är medlemmar i LIGO Laboratory, och inkluderar huvudförfattare och doktorand Chris Whittle, postdoc Evan Hall, forskare Sheila Dwyer, Dekan vid Vetenskapshögskolan och Curtis och Kathleen Marble Professor i astrofysik Nergis Mavalvala, och biträdande professor i maskinteknik Vivishek Sudhir.

Precision pushback

Alla objekt förkroppsligar någon form av rörelse som ett resultat av de många interaktioner som atomer har, med varandra och från yttre påverkan. All denna slumpmässiga rörelse reflekteras i ett föremåls temperatur. När ett föremål kyls ner nära noll temperatur, den har fortfarande en kvarvarande kvantrörelse, en stat som kallas "motionsgrundstaten".

För att stoppa ett objekt i spåren, man kan utöva en lika stor och motsatt kraft på den. (Tänk på att stoppa en baseboll i mitten av flygningen med din handskes kraft.) Om forskare exakt kan mäta storleken och riktningen av en atoms rörelser, de kan applicera motverkande krafter för att sänka dess temperatur - en teknik som kallas återkopplingskylning.

Fysiker har använt feedbackkylning på olika sätt, inklusive laserljus, att föra enskilda atomer och ultralätta objekt till sina kvantjordtillstånd, och har försökt att superkyla successivt större objekt, att studera kvanteffekter i större, traditionellt klassiska system.

"Det faktum att något har temperatur återspeglar tanken att det interagerar med saker runt det, "Säger Sudhir." Och det är svårare att isolera större objekt från allt som händer runt omkring dem. "

För att kyla atomerna på ett stort föremål till nära jordtillstånd, man måste först mäta deras rörelse med extrem precision, att veta graden av pushback som krävs för att stoppa denna rörelse. Få instrument i världen kan nå sådan precision. LIGO, som det händer, burk.

Gravitationsvågsdetekterande observatorium omfattar två interferometrar på separata amerikanska platser. Varje interferometer har två långa tunnlar anslutna i en L-form, och sträcker sig 4 kilometer åt båda hållen. I vardera änden av varje tunnel är en 40-kilos spegel upphängd av tunna fibrer, som svänger som en pendel som svar på eventuella störningar, till exempel en inkommande gravitationell våg. En laser vid tunnlarnas anslutning delas upp och skickas ner i varje tunnel, reflekterade sedan tillbaka till dess källa. Tidpunkten för returlasrarna berättar för forskare exakt hur mycket varje spegel rörde sig, till en noggrannhet på 1/10, 000 bredden på en proton.

Sudhir och hans kollegor undrade om de kunde använda LIGO:s rörelsemätningsprecision för att först mäta stora rörelser, objekt i människoskala, applicera sedan en motverkande kraft, tvärtemot vad de mäter, för att få föremålen till sitt grundläge.

Agerar tillbaka på back-action

Objektet de syftade till att kyla är inte en individuell spegel, utan snarare den kombinerade rörelsen för alla fyra av LIGO:s speglar.

"LIGO är utformat för att mäta den gemensamma rörelsen för de fyra 40-kilogramspeglarna, "Förklarar Sudhir." Det visar sig att du kan kartlägga dessa massors gemensamma rörelse matematiskt, och tänk på dem som rörelsen för ett enda 10-kilograms objekt. "

Vid mätning av atoms rörelse och andra kvanteffekter, Sudhir säger, själva mätningen kan slumpmässigt sparka i spegeln och sätta den i rörelse-en kvanteffekt som kallas "mätning av bakåtverkan". När enskilda fotoner av en laser studsar av en spegel för att samla information om dess rörelse, fotons momentum skjuter tillbaka på spegeln. Sudhir och hans kollegor insåg att om speglarna mäts kontinuerligt, som de är i LIGO, den slumpmässiga rekylen från tidigare fotoner kan observeras i informationen som bärs av senare fotoner.

Beväpnad med ett komplett register över både kvant- och klassiska störningar på varje spegel, forskarna applicerade en lika och motsatt kraft med elektromagneter fästa på baksidan av varje spegel. Effekten drog den kollektiva rörelsen till en nästan stillastående, lämnar speglarna med så lite energi att de inte rörde sig mer än 10 ^-20 meter, mindre än en tusendel av storleken på en proton.

Teamet likställde sedan objektets återstående energi, eller rörelse, med temperatur, och fann att föremålet satt vid 77 nanokelvin, mycket nära dess rörliga grundtillstånd, som de förutspår är 10 nanokelvin.

"Detta är jämförbart med temperaturen atomfysiker kyler sina atomer för att komma till sitt grundtillstånd, och det är med ett litet moln på kanske en miljon atomer, väger pikogram, "Säger Sudhir." Så, det är anmärkningsvärt att du kan kyla något så mycket tyngre, till samma temperatur. "

"Att förbereda något i marken är ofta det första steget för att sätta det i spännande eller exotiska kvanttillstånd, "Whittle säger." Så det här arbetet är spännande eftersom det kan låta oss studera några av dessa andra stater, i en massskala som aldrig har gjorts tidigare. "