Wissenschaftler lassen Nanopartikel tanzen, um Quantengrenzen zu durchbrechen

Die Frage, wo die Grenze zwischen klassischer Physik und Quantenphysik verläuft, ist eine der ältesten Fragen der modernen wissenschaftlichen Forschung, und in der heute veröffentlichten neuen Forschungsarbeit stellen Wissenschaftler eine neue Plattform vor, die uns bei der Suche nach einer Antwort helfen könnte.

Die Gesetze der Quantenphysik bestimmen das Verhalten von Teilchen auf winzigen Skalen und führen zu Phänomenen wie der Quantenverschränkung, bei der die Eigenschaften verschränkter Teilchen auf eine Weise untrennbar miteinander verbunden sind, die mit der klassischen Physik nicht erklärt werden kann.

Quantenphysik-Forschung hilft uns, Lücken in unserem Wissen über die Physik zu schließen und kann uns ein vollständigeres Bild der Realität vermitteln, aber die winzigen Skalen, in denen Quantensysteme operieren, können es schwierig machen, sie zu beobachten und zu studieren.

Im vergangenen Jahrhundert haben Physiker erfolgreich Quantenphänomene in immer größeren Objekten beobachtet, von subatomaren Teilchen wie Elektronen bis hin zu Molekülen mit Tausenden von Atomen.

In jüngerer Zeit zielt das Gebiet der Levitationsoptomechanik, das sich mit der Steuerung von Objekten mit hoher Masse im Mikrometermaßstab im Vakuum befasst, darauf ab, die Grenzen weiter zu verschieben, indem die Gültigkeit von Quantenphänomenen in Objekten mehrerer Ordnung getestet wird Atome und Moleküle. Wenn jedoch die Masse und Größe eines Objekts zunimmt, gehen die Wechselwirkungen, die zu empfindlichen Quantenmerkmalen wie der Verschränkung führen, in der Umgebung verloren, was zu dem klassischen Verhalten führt, das wir beobachten.

Doch nun hat das Team um Dr. Jayadev Vijayan, Direktor des Quantum Engineering Laboratory an der Universität Manchester, gemeinsam mit Wissenschaftlern der ETH Zürich und Theoretikern der Universität Innsbruck einen neuen Ansatz zur Lösung dieses Problems entwickelt. ein an der ETH Zürich durchgeführtes Experiment, veröffentlicht in der Zeitschrift Natürliche Physik.

Dr. Vijayan sagte: „Um Quantenphänomene in größerem Maßstab zu beobachten und Licht auf den klassischen Quantenübergang zu werfen, müssen die Quanteneigenschaften in Gegenwart von Umgebungsrauschen erhalten bleiben.“ Wie Sie sich vorstellen können, gibt es zwei Möglichkeiten, dies zu tun. ; Eine besteht darin, Rauschen zu unterdrücken, und die zweite darin, die Quanteneigenschaften zu stärken.

„Unsere Forschung zeigt einen Weg auf, dieser Herausforderung mit dem zweiten Ansatz zu begegnen. Wir zeigen, dass die Wechselwirkungen, die für die Verschränkung zwischen zwei optisch eingefangenen 0,1-Mikron-Glaspartikeln erforderlich sind, um mehrere Größenordnungen verstärkt werden können, um Verluste in der Umwelt zu überwinden.“

Die Wissenschaftler platzierten die Partikel zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln, die einen optischen Hohlraum bilden. Auf diese Weise springen die von jedem Teilchen gestreuten Photonen mehrere tausend Mal zwischen den Spiegeln hin und her, bevor sie den Hohlraum verlassen, was die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit dem anderen Teilchen erheblich erhöht.

Johannes Piotrowski, Co-Leiter der Studie an der ETH Zürich, fügte hinzu: „Da die optischen Wechselwirkungen durch den Hohlraum vermittelt werden, nimmt seine Stärke bemerkenswerterweise nicht mit der Entfernung ab, was bedeutet, dass wir Partikel im Mikrometerbereich über mehrere Millimeter koppeln könnten.“ “

Die Forscher demonstrieren auch die bemerkenswerte Fähigkeit, die Wechselwirkungskraft durch Variation der Laserfrequenzen und der Position der Partikel im Hohlraum fein abzustimmen oder zu steuern.

Die Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Grundlagenphysik dar, versprechen aber auch praktische Anwendungen, unter anderem in der Sensorik, die zur Umweltüberwachung und Offline-Navigation eingesetzt werden könnte.

Dr. Carlos Gonzalez-Ballestero, ein Mitarbeiter der Technischen Universität Wien, sagte: „Die Hauptstärke mechanischer schwebender Sensoren ist ihre hohe Masse im Vergleich zu anderen Quantensystemen, die Sensorik nutzen.“ Aufgrund ihrer hohen Masse eignen sie sich gut zum Nachweis von Gravitationskräften. und Beschleunigungen, was zu einer besseren Empfindlichkeit führt. Daher können Quantensensoren in vielen verschiedenen Anwendungen in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise zur Überwachung des Polareises für die Klimaforschung und zur Messung von Beschleunigungen für Navigationszwecke.

Piotrowski fügte hinzu: „Es ist spannend, an dieser relativ neuen Plattform zu arbeiten und zu testen, wie weit wir sie im Quantenbereich vorantreiben können.“

Nun wird das Forscherteam die neuen Fähigkeiten mit etablierten Quantenkühlungstechniken kombinieren, um die Quantenverschränkung zu validieren. Im Erfolgsfall könnte die Verschränkung schwebender Nano- und Mikropartikel die Kluft zwischen der Quantenwelt und der alltäglichen klassischen Mechanik verringern.

Am Photon Science Institute und am Department of Electrical and Electronics Engineering der University of Manchester wird das Team von Dr. Jayadev Vijayan weiterhin an der Levitations-Optomechanik arbeiten und dabei Wechselwirkungen zwischen mehreren Nanopartikeln für Anwendungen in der Quantensensorik nutzen.