Астрофизики почти достигли неуловимого основного квантового состояния

Астрофизики почти достигли неуловимого основного квантового состояния / фото носит иллюстративный характер
Жизнь

Очень редко что-либо полностью неподвижно. Вся нормальная материя во Вселенной состоит из гудящих частиц, занимающихся своими делами и вибрирующих на своих частотах.

Если мы сможем заставить их максимально замедлиться, материал перейдет в так называемое основное состояние движения. В этом состоянии физики могут проводить тесты квантовой механики и квантовой гравитации, исследуя границы с классической физикой, чтобы найти способ объединить их .

Раньше это выполнялось в наномасштабе; но теперь впервые это было сделано на массивном «объекте» - коллективных движениях четырех зеркал гравитационно-волнового интерферометра LIGO , известного как оптомеханический осциллятор, с эффективной массой 10 кг (22 фунта).

Работа представляет собой новый способ исследовать квантовую сферу.

«Никто никогда не наблюдал, как гравитация действует на массивные квантовые состояния», - сказал инженер-механик Вивишек Судхир из Массачусетского технологического института .

«Мы продемонстрировали, как приготовить объекты килограммового масштаба в квантовых состояниях. Это, наконец, открывает дверь для экспериментального исследования того, как гравитация может влиять на большие квантовые объекты, о чем до сих пор только мечтали».

Достичь основного квантового состояния облака атомов непросто. Вам нужно охладить атом, приложив столько силы, сколько нужно, чтобы остановить его колебания. Если вы не охладите его достаточно, он просто замедлится; поэтому вам нужно знать точный уровень энергии и направление колебаний атома, чтобы применить соответствующую силу, чтобы остановить его.

Это называется «охлаждение с обратной связью», и на наноуровне это проще сделать, потому что легче изолировать меньшие группы атомов и минимизировать помехи. Однако чем больше вы поднимаетесь, тем труднее становится справиться с этим препятствием.

LIGO - один из самых точных инструментов для измерения точного движения. Он разработан для обнаружения крошечной ряби в пространстве-времени, создаваемой столкновениями массивных объектов на расстоянии до миллиардов световых лет.

Он состоит из L-образной вакуумной камеры, лазерные лучи излучаются по двум 4-километровым (2,5-мильным) туннелям и направляются на светоделитель на четыре зеркала, по одному на каждом конце каждого туннеля. Когда пространство-время колеблется, зеркала искажают свет, создавая интерференционную картину, которую ученые могут расшифровать, чтобы определить причину. И он настолько чувствителен, что может обнаружить изменение шириной всего в одну десятитысячную ширины протона , или на 10-19 метров.

Каждое из четырех 40-килограммовых зеркал LIGO подвешено, и их коллективное движение составляет осциллятор. Благодаря балансировке зеркал общий вес 160 кг уменьшается до 10 кг.

«LIGO предназначен для измерения совместного движения четырех 40-килограммовых зеркал», - сказал Судхир . «Оказывается, вы можете математически отобразить совместное движение этих масс и думать о них как о движении одного 10-килограммового объекта».

Путем точного измерения движения этого осциллятора команда надеялась точно определить скорость охлаждения с обратной связью, необходимую для вызова основного состояния движения… а затем, очевидно, применить его.

К сожалению, сам процесс измерения вносит в уравнение некоторую степень случайности, что затрудняет прогнозирование видов толчков, необходимых для выкачивания энергии из атомов зеркала.

Чтобы исправить это, команда искусно изучила каждый фотон, чтобы оценить активность предыдущих столкновений, постоянно строя более точную карту того, как применять правильные силы и достигать охлаждения.

Затем они приложили рассчитанную силу с помощью электромагнитов, прикрепленных к задней части зеркал.

Это сработало. Осциллятор почти полностью перестал двигаться. Его оставшаяся энергия была эквивалентна температуре 77 нанокельвин (-273,15 градусов по Цельсию, или -459,67 градусов по Фаренгейту).

Его основное подвижное состояние, 10 нанокельвин, очень близко, особенно с учетом начальной точки при комнатной температуре. И 77 нанокельвинов также очень близко к температурам, используемым в исследованиях основного состояния движения в наномасштабе.

Более того, это открывает двери для некоторых захватывающих возможностей. Макромасштабные демонстрации и измерения квантовых явлений - и, возможно, даже приложения для того же.

Но квантовая гравитация - большой удар. Объекты массой килограмм более восприимчивы к гравитации; работа команды вселяет надежду использовать этот массовый режим для изучения квантовой области.

«Подготовка чего-либо в основном состоянии часто является первым шагом к его переводу в возбуждающие или экзотические квантовые состояния», - сказал физик Крис Уиттл из Массачусетского технологического института и коллаборации LIGO .

«Так что эта работа захватывающая, потому что она может позволить нам изучить некоторые из этих других состояний в массовом масштабе, которого никогда раньше не было».

Поделись публикацией

Самые популярные публикации


Следи за нами в социальных сетях