Prawdziwie magiczne zjawisko powoduje lewitowanie nanocząstek zbliżających się do kwantowego stanu podstawowego
Oscylatory mechaniczne są od bardzo dawna używane do wykonywania wysoce precyzyjnych pomiarów. Na przykład, skokowa poprawa dokładności zegarów i zegarków była możliwa dzięki stosunkowo prostej klasycznej mechanice wahadeł i sprężyn, z jednym końcem przymocowanym do nieruchomego elementu, a drugim do ruchomego. Dzięki dofinansowaniu unijnemu ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) projekt QnanoMECA uwolnił potencjał nanomechanicznych oscylatorów kwantowych dotyczący badania złożonego świata kwantowego przy pomocy nieumocowanego ruchomego obiektu w postaci nanocząstki. Wykorzystując siłę światła do utrzymania jej w stanie lewitacji, zespół stworzył nowe możliwości w zakresie detekcji ultrasłabych oddziaływań i wprowadzania dużych (w sensie kwantowym) obiektów do reżimu kwantowego.
Nanocząstki w świetle (laserowym)
Zdobywca grantu ERBN i kierownik naukowy Romain Quidant wyjaśnia: „Nanocząsteczki mogą być unoszone i uwięzione za pomocą bardzo słabych sił, które każdy foton wiązki laserowej wywiera na materię napotykaną na swojej drodze. Za wynalezienie tej pułapki optycznej, nazywanej szczypcami optycznymi, Arthur Ashkin otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2018 roku”. Jedną z głównych zalet niezamykanego oscylatora mechanicznego, czyli szczypiec optycznych, jest jego ekstremalne odizolowanie od otoczenia. Umożliwia to uzyskanie rezonansu mechanicznego o dokładnie określonych częstotliwościach, co można by porównać do zagrania bardzo czystych dźwięków na strunie gitarowej. Ta niespotykana czystość rezonansu otwiera z kolei drzwi do wprowadzenia nanocząstki do reżimu kwantowego poprzez zmniejszenie jej energii mechanicznej („schłodzenie” oscylatora) do mniej niż jednego kwanta mechanicznego (kwantowego stanu podstawowego). Ten niezwykle czysty rezonans zmienia także oscylującą nanocząstkę w bardzo czuły sensor otoczenia. „Wiemy, że podstawowe elementy budulcowe materii, jak atomy i jony, są kwantowe i poddają się prawom mechaniki kwantowej”, mówi Quidant. „Sprawa jest mniej jednoznaczna w przypadku dużych i gęstych zespołów atomów, takich jak lewitująca nanocząstka. Nasza platforma pozwala nam badać ten nieznany reżim poprzez obserwację bardzo słabych efektów fizycznych, których wcześniej nie dało się bezpośrednio zmierzyć”.
Wykorzystanie potencjału lewitujących małych obiektów
W ciągu ostatnich 5 lat uczestnicy projektu QnanoMECA opracowali różne eksperymentalne podejścia do lewitowania i chłodzenia nanocząstek w celu wprowadzenia ich w reżim kwantowy. W pionierskich pracach prowadzonych we współpracy ze stypendystą ERBN, Lukasem Novotnym z projektu QMES, zespół zmniejszył energię mechaniczną oscylatora do kilkudziesięciu z około 50 milionów fononów i planuje osiągnięcie jednofotonowego reżimu kwantowego do czasu zakończenia inicjatywy w 2020 roku. Ponadto uczestnicy projektu QnanoMECA poczynili ważne naukowe i technologiczne kroki w kierunku wykrywania ultrasłabych oddziaływań, które mogą przyczynić się w nadchodzących latach do stworzenia nowej generacji wysokiej klasy mechanicznych czujników znajdujących zastosowanie w nawigacji i sejsmologii. Optomechanika lewitacji jest stosunkowo nową, ale rozwijającą się dziedziną, którą zajmuje się obecnie ponad 30 zespołów na całym świecie. Quidant tłumaczy: „Projekt pozwolił nam znaleźć się w gronie światowych liderów w dziedzinie optomechaniki lewitacji. Dziedzina ta jest pełna pytań pozostających bez odpowiedzi oraz niepotwierdzonych teorii. Cieszymy się, że będziemy mogli pracować nad częścią tych zagadnień”.
Słowa kluczowe
QnanoMECA, kwant, nanocząstka, foton, światło, lewitacja, oscylator, nanomechaniczny, rezonator, laser, szczypce optyczne, energia mechaniczna, fonon, pułapka optyczna, oddziaływanie słabe, optomechanika lewitacji, krzemionka
