Frågan om var gränsen mellan klassisk och kvantfysik går är en av de mest långvariga sysselsättningarna inom modern vetenskaplig forskning, och i ny forskning som publiceras idag visar forskare en ny plattform som kan hjälpa oss att hitta ett svar.
Kvantfysikens lagar styr partiklarnas beteende i små skalor, vilket leder till fenomen som kvanttrassling, där egenskaperna hos intrasslade partiklar blir oupplösligt sammanlänkade på sätt som inte kan förklaras av klassisk fysik.
Forskning inom kvantfysik hjälper oss att fylla luckor i vår kunskap om fysik och kan ge oss en mer komplett bild av verkligheten, men de små skalorna som kvantsystem verkar på kan göra dem svåra att observera och studera.
Under det senaste århundradet har fysiker framgångsrikt observerat kvantfenomen i allt större objekt, hela vägen från subatomära partiklar som elektroner till molekyler som innehåller tusentals atomer.
På senare tid har fältet leviterad optomekanik, som handlar om kontroll av objekt i mikronskala med hög massa i vakuum, syftat till att driva höljet ytterligare genom att testa giltigheten av kvantfenomen i objekt som är flera storleksordningar tyngre än atomer och molekyler. Men när massan och storleken på ett föremål ökar, försvinner de interaktioner som resulterar i känsliga kvantfunktioner såsom intrassling i miljön, vilket resulterar i det klassiska beteendet vi observerar.
Men nu har teamet som leds av Dr Jayadev Vijayan, chef för Quantum Engineering Lab vid University of Manchester, tillsammans med forskare från ETH Zürich och teoretiker från University of Innsbruck, etablerat ett nytt tillvägagångssätt för att övervinna detta problem i ett experiment utfört vid ETH Zürich, publicerat i tidskriften Nature Physics .
Dr. Vijayan sa, "För att observera kvantfenomen i större skala och belysa den klassiska kvantövergången, måste kvantfunktioner bevaras i närvaro av brus från omgivningen. Som du kan föreställa dig finns det två sätt att göra detta på.; den ena är att undertrycka bruset och den andra är att förstärka kvantfunktionerna.
"Vår forskning visar ett sätt att tackla utmaningen genom att ta det andra tillvägagångssättet. Vi visar att de interaktioner som behövs för intrassling mellan två optiskt fångade 0,1 mikron stora glaspartiklar kan förstärkas med flera storleksordningar för att övervinna förluster till miljön. "
Forskarna placerade partiklarna mellan två mycket reflekterande speglar som bildar en optisk kavitet. På så sätt studsar fotonerna som sprids av varje partikel mellan speglarna flera tusen gånger innan de lämnar kaviteten, vilket leder till en betydligt större chans att interagera med den andra partikeln.
Johannes Piotrowski, medledare för tidningen från ETH Zürich tillade:"Anmärkningsvärt nog, eftersom de optiska interaktionerna förmedlas av kaviteten, avtar dess styrka inte med avståndet, vilket innebär att vi skulle kunna koppla partiklar i mikronskala över flera millimeter."
Forskarna visar också den anmärkningsvärda förmågan att finjustera eller kontrollera interaktionsstyrkan genom att variera laserfrekvenserna och positionen för partiklarna i kaviteten.
Resultaten representerar ett betydande steg mot att förstå grundläggande fysik, men lovar också praktiska tillämpningar, särskilt inom sensorteknologi som kan användas för miljöövervakning och offline-navigering.
Dr. Carlos Gonzalez-Ballestero, en samarbetspartner från Wiens tekniska universitet, sa:"Nyckelstyrkan hos leviterade mekaniska sensorer är deras höga massa i förhållande till andra kvantsystem som använder avkänning. Den höga massan gör dem väl lämpade för att detektera gravitationskrafter och accelerationer, vilket resulterar i bättre känslighet. Som sådana kan kvantsensorer användas i många olika applikationer inom olika områden, som övervakning av polaris för klimatforskning och mätning av accelerationer för navigationsändamål."
Piotrowski tillade, "Det är spännande att arbeta på denna relativt nya plattform och testa hur långt vi kan driva den in i kvantregimen."
Nu kommer teamet av forskare att kombinera de nya kapaciteterna med väletablerade kvantkylningstekniker i ett steg mot att validera kvantintrång. Om det lyckas, kan en förveckling av svävande nano- och mikropartiklar minska klyftan mellan kvantvärlden och vardagens klassiska mekanik.
Vid Photon Science Institute och Department of Electrical and Electronic Engineering vid University of Manchester kommer Dr. Jayadev Vijayans team att fortsätta arbeta med leviterad optomekanik, och utnyttja interaktioner mellan flera nanopartiklar för tillämpningar inom kvantavkänning.
Mer information: Kavitetsförmedlade långdistansinteraktioner inom leviterad optomekanik, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02405-3. www.nature.com/articles/s41567-024-02405-3
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av University of Manchester
