Μπορεί ένα αντικείμενο του ορατού κόσμου να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, όπως η περίφημη «Γάτα του Σρέντινγκερ»; Μέχρι σήμερα, οι παράξενες ιδιότητες της κβαντικής φυσικής περιορίζονταν στον αόρατο μικρόκοσμο των ατόμων.
Τώρα, όμως, οι επιστήμονες φέρνουν την κβαντική μαγεία στην πραγματική ζωή, καταρρίπτοντας τα όρια ανάμεσα σε δύο διαφορετικούς κόσμους. Σε ένα πρωτοποριακό πείραμα που αλλάζει τα δεδομένα της σύγχρονης επιστήμης, ερευνητές κατάφεραν να τιθασεύσουν τις κβαντικές δυνάμεις για να μετακινήσουν ένα αντικείμενο ορατό με γυμνό μάτι: ένα μικρό, αιωρούμενο διαμάντι.
Αυτό το επίτευγμα θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για νέες μεθόδους μελέτης της βαρύτητας, ενώ παράλληλα ενδέχεται να οδηγήσει στη δημιουργία ορισμένων από τις πιο ευαίσθητες τεχνολογίες κβαντικής ανίχνευσης στον κόσμο.
Αιωρούμενα διαμάντια «ξεκλειδώνουν» τα μυστικά της κβαντικής φυσικής
Για πρώτη φορά στα χρονικά, επιστήμονες πέτυχαν να αποδείξουν ένα μοναδικό κβαντικό φαινόμενο ικανό να κινήσει ένα αντικείμενο μεγέθους εκατοστού, το οποίο «αιωρείται» κόντρα στη βαρύτητα.
Πρόκειται για ένα επίτευγμα-ορόσημο που αναμένεται να ανοίξει τον δρόμο για μελλοντικές μελέτες γύρω από τα λεπτά όρια που χωρίζουν την κβαντομηχανική από την κλασική φυσική.
Πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances παρουσιάζει το έργο μιας ερευνητικής ομάδας από το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Οκινάουα (OIST).
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το κβαντικό σπιν των ηλεκτρονίων για να παράγουν επαρκή δύναμη ώστε να μετακινήσουν ένα αιωρούμενο διαμάντι. Αν και οι παράξενες ιδιότητες της κβαντομηχανικής ευθύνονται για τη συμπεριφορά των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων, ένα διαχρονικό αγκάθι για τους φυσικούς παραμένει η παρατήρηση αυτών των φαινομένων σε μεγαλύτερα αντικείμενα.
Λόγω της ευαισθησίας τους σε περιβαλλοντικές αναταραχές —όπως οι κραδασμοί και η θερμότητα— τα αντικείμενα αυτά τείνουν να «πνίγουν» γρήγορα τις κατά τα άλλα ευαίσθητες κβαντικές επιδράσεις.
Αν και η αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων αποτελεί από μόνη της μια ξεχωριστή πρόκληση, οι ερευνητές του OIST ανέπτυξαν μια πειραματική συσκευή που χρησιμοποιεί ένα διαμάντι «γεμάτο» με δισεκατομμύρια κέντρα αζώτου-κενών (nitrogen-vacancy centers). Πρόκειται για ατομικές ατέλειες που παγιδεύουν ηλεκτρόνια, των οποίων το κβαντικό σπιν μπορεί να ελεγχθεί με τη χρήση φωτός.
Το διαμάντι, το οποίο αιωρούνταν πάνω από έναν μαγνήτη και ήταν συνδεδεμένο με μια αιωρούμενη πλάκα γραφίτη μέσω μιας ράβδου από ανθρακονήματα, φωτίστηκε με παλμούς πράσινου λέιζερ. Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να ελέγξουν τις καταστάσεις σπιν των παγιδευμένων ηλεκτρονίων, παράγοντας απειροελάχιστες μαγνητικές δυνάμεις που έθεσαν το διαμάντι σε κίνηση.
Στη συνέχεια, οι κινήσεις που παρατήρησε η ερευνητική ομάδα μετρήθηκαν με ακρίβεια πικομέτρου (picometer), κάτι που έγινε εφικτό χάρη σε ένα εξαιρετικά ευαίσθητο συμβολόμετρο λέιζερ. «Αποδείξαμε ότι ένα μικρό κβαντικό φαινόμενο μπορεί να προκαλέσει μια μεγάλης κλίμακας κλασική αντίδραση», δήλωσε σε ανακοίνωσή του ο καθηγητής του OIST, Τζέισον Τουάμλεϊ (Jason Twamley).
Παραγωγή μηχανικής κίνησης μέσω κβαντικού σπιν
Η ερευνητική ομάδα υπογράμμισε ότι, αν και το πείραμά τους δεν απέδειξε την κβαντική υπέρθεση σε ένα μακροσκοπικό αντικείμενο, τεκμηριώνει παρ’ όλα αυτά ότι το κβαντικό σπιν μπορεί να προκαλέσει μετρήσιμη μηχανική κίνηση σε ένα αντικείμενο πολύ μεγαλύτερο από εκείνα που χρησιμοποιούνταν σε παλαιότερα κβαντικά πειράματα.
Στο μέλλον, οι βελτιώσεις σε αυτή τη διαδικασία θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να διερευνήσουν την πιθανότητα να υπάρξουν πράγματι μεγαλύτερα αντικείμενα σε καταστάσεις κβαντικής υπέρθεσης -ένα επίτευγμα που θα προσέφερε βαθύτερη κατανόηση της σχέσης μεταξύ της βαρύτητας και των φαινομένων που παρατηρούνται στην κβαντομηχανική.
Σε θεμελιώδες επίπεδο, οι ερευνητές πιστεύουν επίσης ότι τα ευρήματά τους συμβάλλουν στην ανάπτυξη εξαιρετικά ευαίσθητων οργάνων.
Αυτά θα μπορούσαν να είναι ικανά να ανιχνεύσουν ασύλληπτα φαινόμενα, όπως τα βαρυτικά κύματα και η σκοτεινή ύλη, τα οποία προβληματίζουν τους επιστήμονες εδώ και καιρό.
«Αποδείξαμε ότι ένα μικρό κβαντικό φαινόμενο μπορεί να προκαλέσει μια μεγάλης κλίμακας κλασική αντίδραση. Πλέον, το ερώτημα δεν είναι αν μια τέτοια τεχνολογία είναι εφικτή, αλλά πώς μπορούμε να βελτιώσουμε τις πειραματικές συνθήκες για να επιτύχουμε κβαντική υπέρθεση εντός του πλαισίου της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν», δήλωσε ο Τουάμλεϊ σε ανακοίνωσή του.
«Και στην πορεία αυτή, αναπτύσσουμε μια νέα κατηγορία αισθητήρων εξαιρετικής ακρίβειας. Ανεβάζουμε τον πήχη από τα νανόμετρα στα εκατοστά. Το μόνο που χρειαζόμαστε είναι μία ακόμη τάξη μεγέθους», προσθέτει ο Τουάμλεϊ, «και θα μπορέσουμε επιτέλους να παρατηρήσουμε τον “Γάτο του Σρέντινγκερ” στην πραγματική ζωή».
Τα ευρήματα της ερευνητικής ομάδας παρουσιάστηκαν αναλυτικά σε πρόσφατη μελέτη με τίτλο «Spin force from a nitrogen-vacancy ensemble drives a 100-mg levitated resonator», η οποία δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances.
