Για πρώτη φορά, ερευνητές του Ινστιτούτου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Οκινάουα (OIST) κατάφεραν να μετακινήσουν ένα αιωρούμενο διαμάντι πλάτους περίπου ενός εκατοστού χρησιμοποιώντας αποκλειστικά τη δύναμη που παράγεται από το σπιν των ηλεκτρονίων. Το πείραμα, που δημοσιεύτηκε στο Science Advances, αποτελεί την πρώτη άμεση παρατήρηση κβαντικού φαινομένου που κινεί ένα αντικείμενο αρκετά μεγάλο ώστε να υπόκειται αισθητά στη βαρύτητα.
Η κβαντική μηχανική έχει δώσει λέιζερ, μαγνητικούς τομογράφους, ημιαγωγούς και κβαντικούς υπολογιστές, αλλά η έρευνα παραμένει κυρίως σε υποατομική κλίμακα. Η επίδειξη κβαντικών φαινομένων σε αντικείμενα αρκετά μεγάλα ώστε να τα επηρεάζει η βαρύτητα είναι δύσκολη, επειδή τα μεγάλα αντικείμενα δύσκολα απομονώνονται από θερμότητα και δονήσεις.
Ωστόσο η ομάδα του OIST ξεπέρασε αυτό το εμπόδιο. Ο καθηγητής Jason Twamley της Μονάδας Κβαντικών Μηχανών εξηγεί ότι μέχρι τώρα οι προσπάθειες να ελεγχθεί αν η κβαντική μηχανική ισχύει για κάτι μεγαλύτερο από μερικές δεκάδες νανόμετρα δεν είχαν επιτυχία. Στο νέο πείραμα, οι ερευνητές παρατήρησαν κλασική μηχανική απόκριση σε κβαντική δύναμη σε αντικείμενο οκτώ έως εννέα τάξεις μεγέθους πιο μαζικό από ό,τι είχε επιτευχθεί έως τώρα σε πειράματα σπιν-μηχανικής.
Η διάταξη συνδυάζει μια διαμαγνητικά αιωρούμενη πλάκα γραφίτη με καθρέφτη, συνδεδεμένη μέσω ράβδου άνθρακα που περνά από μαγνητική θωράκιση, με ένα διαμάντι κρεμασμένο πάνω από μαγνήτη. Το διαμάντι περιέχει δισεκατομμύρια λεγόμενα κέντρα αζώτου-κενού (NV), τα οποία παγιδεύουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια και λειτουργούν ως μικροσκοπικοί ελεγχόμενοι κβαντικοί μαγνήτες μέσω της κβαντικής δύναμης του σπιν τους. Περιοδικός φωτισμός του διαμαντιού με πράσινο λέιζερ πολώνει αυτά τα κέντρα σε προκαθορισμένη κατάσταση σπιν, δημιουργώντας μικροσκοπικές μαγνητικές διακυμάνσεις που πιέζουν το διαμάντι προς τα κάτω. Η κίνηση καταγράφεται με συμβολόμετρο που ανακλά λέιζερ στον καθρέφτη της πλάκας γραφίτη και μετρά αλλαγές απόστασης με ακρίβεια πικομέτρου. Αυτή η διάταξη επέτρεψε να φανεί καθαρά η κλασική μετατόπιση ενός αντικειμένου μάζας 100 χιλιοστόγραμμων από ένα καθαρά κβαντικό αίτιο.
Ο πρώτος συγγραφέας Anshuman Nayak εξηγεί ότι για να ελεγχθεί η κβαντική φύση της βαρύτητας πρέπει να τοποθετηθούν αντικείμενα με αρκετά μεγάλη μάζα σε κβαντική υπέρθεση, αιωρούμενα σε κενό. Η συνηθισμένη προσέγγιση ξεκινά από πολύ μικρά αιωρούμενα αντικείμενα και αυξάνει σταδιακά τη μάζα. Αντίθετα, η ομάδα του OIST κινείται από το μεγάλο προς το μικρό: όπως η διαμαγνητική αιώρηση σηκώνει τρένα μαγνητικής αιώρησης, μπορεί να αιωρήσει αντικείμενα πλάτους εκατοστού που φέρουν διαμάντια, όπου η βαρύτητα είναι ισχυρή αλλά κβαντικά φαινόμενα δεν είχαν παρατηρηθεί.
Ο συν-συγγραφέας Daehee Kim σημειώνει ότι τα διαμάντια NV είναι καλά κατανοητά και εύκολα στον έλεγχο· επιπλέον, τα κέντρα NV έχουν από τους μεγαλύτερους γνωστούς χρόνους συνοχής, διατηρώντας κβαντική υπέρθεση σε θερμοκρασία δωματίου πολύ περισσότερο από άλλα συστήματα. Αυτό τα καθιστά ελκυστικά για τη μελλοντική δημιουργία μακροσκοπικής υπέρθεσης κίνησης ή αντικειμένου.
Η επίδειξη ανοίγει δρόμο για πειραματική διερεύνηση ερωτημάτων που βασάνιζαν τον Αϊνστάιν: είναι η βαρύτητα κβαντική ή κλασική; τι συμβαίνει στην πληροφορία στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας; τι είναι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια; μπορεί ένα αντικείμενο με μάζα να βρίσκεται σε δύο μέρη ταυτόχρονα; Οι ερευνητές λένε ότι η πλατφόρμα τους μπορεί να οδηγήσει και σε μια νέα κατηγορία εξαιρετικά ακριβών αισθητήρων για την ανίχνευση σκοτεινής ύλης, βαρυτικών κυμάτων και άλλων εξωτικών φαινομένων.
Ο Twamley καταλήγει: «Δείξαμε μια μεγάλη κλασική απόκριση από ένα μικρό κβαντικό φαινόμενο. Δεν είναι πλέον ζήτημα αν μια τέτοια τεχνολογία είναι δυνατή, αλλά πώς θα βελτιώσουμε τις πειραματικές συνθήκες ώστε να επιτύχουμε κβαντική υπέρθεση στο καθεστώς της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Και στην πορεία αναπτύσσουμε μια νέα κατηγορία εξαιρετικά ακριβών αισθητήρων. Προχωράμε από τα νανόμετρα στα εκατοστά. Το μόνο που χρειαζόμαστε είναι άλλη μία τάξη μεγέθους, και μπορούμε επιτέλους να παρατηρήσουμε τη γάτα του Σρέντιγκερ στην πραγματική ζωή.»
Σχόλια