Forskare vid ETH Zürich har fångat en liten sfär som mäter hundra nanometer med laserljus och saktat ner dess rörelse till det lägsta kvantmekaniska tillståndet. Denna teknik kan hjälpa forskare att studera kvanteffekter i makroskopiska objekt och bygga extremt känsliga sensorer.

Varför kan atomer eller elementarpartiklar bete sig som vågor enligt kvantfysiken, vilket gör att de kan vara på flera ställen samtidigt? Och varför följer allt vi ser omkring oss uppenbarligen den klassiska fysikens lagar, var ett sådant fenomen är omöjligt? På senare år har forskare har lockat större och större föremål att bete sig kvantmekaniskt. En konsekvens av detta är att när du passerar genom en dubbel slits, dessa objekt bildar ett interferensmönster som är karakteristiskt för vågor.

Tills nu, detta skulle kunna uppnås med molekyler som består av några tusen atomer. Dock, fysiker hoppas en dag kunna observera sådana kvanteffekter med riktigt makroskopiska föremål. Lukas Novotny, professor i fotonik, och hans medarbetare vid institutionen för informationsteknologi och elektroteknik vid ETH Zürich har nu tagit ett avgörande steg i den riktningen. Deras resultat publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Natur .

Svävande nanosfär

Det makroskopiska föremålet i Novotnys laboratorium är en liten sfär av glas. Även om den bara är hundra nanometer i diameter, den består av så många som 10 miljoner atomer. Med hjälp av en hårt fokuserad laserstråle, sfären är gjord att sväva i en optisk fälla inuti en vakuumbehållare som kyls ner till 269 minusgrader. Ju lägre temperatur, desto mindre är den termiska rörelsen.

"Dock, för att tydligt se kvanteffekter måste nanosfären bromsas ännu mer, hela vägen till dess rörliga grundtillstånd, " förklarar Felix Tebbenjohanns, en postdoc i Novotnys labb. Sfärens svängningar, och därav dess rörelseenergi, reduceras till den punkt där den kvantmekaniska osäkerhetsrelationen förbjuder en ytterligare reduktion. "Detta betyder att vi fryser sfärens rörelseenergi till ett minimum som är nära den kvantmekaniska nollpunktsrörelsen, säger Tebbenjohanns.

Mäter och bromsar

För att uppnå detta, forskarna använder en metod som är välkänd från att sakta ner en lekplatsgunga:precis lagom mycket tryck eller drag i rätt riktning, beroende på var gungan råkar vara. Med en gunga, ta en ordentlig titt och agera därefter kommer att göra susen. När det gäller en nanosfär, dock, en mer exakt mätning krävs. Denna mätning består av att överlagra ljuset som reflekteras av sfären på en annan laserstråle, vilket resulterar i ett interferensmönster. Från läget för det interferensmönstret är det möjligt att härleda var sfären är belägen inuti laserfällan. Den informationen, i tur och ordning, används för att beräkna hur hårt sfären måste tryckas eller dras för att bromsa den. Själva inbromsningen görs av två elektroder, vars elektriska fält utövar en exakt bestämd Coulomb-kraft på den elektriskt laddade nanosfären.

Första kvantkontrollen i ledigt utrymme

"Detta är första gången som en sådan metod har använts för att kontrollera kvanttillståndet för ett makroskopiskt objekt i ledigt utrymme, " säger Novotny. Även om liknande resultat har erhållits med sfärer i optiska resonatorer, Novotnys tillvägagångssätt har viktiga fördelar:det är mindre mottagligt för störningar, och genom att stänga av laserljuset kan man, om så krävs, undersöka sfären helt isolerat.

En sådan isolerad undersökning blir särskilt relevant när man försöker utföra interferensexperiment, som de som observeras med ljusvågor, med nanosfären. Detta beror på att för att se störningseffekter, sfärens kvantmekaniska våg måste vara tillräckligt stor. Ett sätt att uppnå detta är att stänga av laserfällan efter att ha kylt sfären till dess rörelsejorda tillstånd, vilket gör att dess kvantvåg kan expandera fritt. Olika delar av vågen kan då falla genom en dubbel slits. Som med molekyler, även i detta fall förväntas överlagringen av materievågorna resultera i ett karakteristiskt interferensmönster.

Möjliga tillämpningar i sensorer

"Tills vidare, dock, det är bara en dröm, " Novotny varnar. Ändå, han nämner också att svävande nanosfärer är av intresse inte bara för grundforskning, men kan också ha praktiska tillämpningar. Nuförtiden finns det redan sensorer som kan mäta de minsta accelerationer eller rotationer genom att använda störande atomvågor. När känsligheten hos sådana sensorer ökar med ökande massa av det kvantmekaniskt störande föremålet, sensorerna kan förbättras avsevärt med nanosfärer.