Väldigt nyligen, forskare ledda av Markus Aspelmeyer vid universitetet i Wien och Lukas Novotny vid ETH Zürich kylde en glasnanopartikel in i kvantregimen för första gången. Att göra detta, partikeln berövas sin kinetiska energi med hjälp av lasrar. Det som återstår är rörelser, så kallade kvantfluktuationer, som inte längre följer den klassiska fysikens lagar utan kvantfysikens lagar. Glassfären med vilken detta har uppnåtts är betydligt mindre än ett sandkorn, men består fortfarande av flera hundra miljoner atomer. I motsats till den mikroskopiska världen av fotoner och atomer, nanopartiklar ger en inblick i kvantnaturen hos makroskopiska objekt. I samarbete med experimentfysikern Markus Aspelmeyer, ett team av teoretiska fysiker ledda av Oriol Romero-Isart vid universitetet i Innsbruck och Institutet för kvantoptik och kvantinformation vid den österrikiska vetenskapsakademin föreslår nu ett sätt att utnyttja nanopartiklarnas kvantegenskaper för olika tillämpningar.

Kort avlokaliserad

"Medan atomer i rörelsebastillståndet studsar runt över avstånd större än atomens storlek, rörelsen av makroskopiska föremål i marktillståndet är mycket, väldigt liten, " förklarar Talitha Weiss och Marc Roda-Llordes från Innsbruck-teamet. "Kvantfluktuationerna hos nanopartiklar är mindre än en atoms diameter." För att dra fördel av nanopartiklarnas kvantnatur, partiklarnas vågfunktion måste utökas kraftigt. I Innsbrucks kvantfysikerschema, nanopartiklar fångas i optiska fält och kyls till grundtillståndet. Genom att rytmiskt ändra dessa fält, partiklarna lyckas nu kort delokalisera sig över exponentiellt större avstånd. "Även de minsta störningarna kan förstöra partiklarnas koherens, vilket är anledningen till att genom att ändra de optiska potentialerna, vi drar bara kort isär partiklarnas vågfunktion och komprimerar den sedan omedelbart igen, " förklarar Oriol Romero-Isart. Genom att upprepade gånger förändra potentialen, nanopartikelns kvantegenskaper kan alltså utnyttjas.

Många applikationer

Med den nya tekniken, de makroskopiska kvantegenskaperna kan studeras mer i detalj. Det visar sig också att detta tillstånd är mycket känsligt för statiska krafter. Således, Metoden skulle kunna möjliggöra mycket känsliga instrument som kan användas för att bestämma krafter som gravitation mycket exakt. Genom att använda två partiklar expanderade och komprimerade samtidigt med denna metod, det skulle också vara möjligt att trassla in dem via en svag interaktion och utforska helt nya områden i den makroskopiska kvantvärlden.

Tillsammans med andra förslag, det nya konceptet utgör grunden för ERC Synergy Grant-projektet Q-Xtreme, som beviljades förra året. I detta projekt, forskargrupperna Markus Aspelmeyer och Oriol Romero-Isart, tillsammans med Lukas Novotny och Romain Quidant från ETH Zürich, driver en av kvantfysikens mest grundläggande principer till den yttersta gränsen genom att placera en solid kropp av miljarder atomer på två ställen samtidigt.