Μια ακόμη σημαντική πρώτη καταγράφεται στον χώρο της κβαντικής φυσικής και αφορά το electron spin: τον μικροσκοπικό, έμφυτο μαγνητισμό αυτών των σωματιδίων, σαν να κουβαλά το καθένα μια μικροσκοπική μαγνητική πυξίδα.
Μέχρι σήμερα, η δύναμη αυτών των spin είχε αποδειχθεί αρκετή μόνο για να μετακινεί μεμονωμένα άτομα προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση. Τώρα όμως, ερευνητές κατάφεραν να μετακινήσουν κάτι πολύ, πολύ μεγαλύτερο.
Ομάδα από το Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) στην Ιαπωνία δημοσίευσε νέα μελέτη στο Science Advances, στην οποία περιγράφεται πώς ένα αντικείμενο σε κλίμακα εκατοστού μπορεί να μετατοπιστεί από αυτές τις κβαντικές δυνάμεις.
Πρόκειται για ένα σημαντικό βήμα για την επιστήμη στο όριο ανάμεσα στο κβαντικό, δηλαδή τις πολύ μικρές κλίμακες, και το κλασικό, δηλαδή όλα τα υπόλοιπα. Το κρίσιμο στοιχείο είναι ότι το πείραμα αφορά ένα αντικείμενο αρκετά μεγάλο ώστε να επηρεάζεται από τη βαρύτητα, μια θεμελιώδη δύναμη που δεν έχει πάντα συμβαδίσει εύκολα με τις θεωρίες της κβαντικής φυσικής.
«Υπήρξαν πολλές προσπάθειες να ελεγχθεί αν η κβαντομηχανική ισχύει για οτιδήποτε μεγαλύτερο από μερικές δεκάδες νανόμετρα, χωρίς μέχρι στιγμής επιτυχία», λέει ο θεωρητικός φυσικός Jason Twamley.
«Τώρα, παρατηρήσαμε μια κλασική μηχανική απόκριση σε μια κβαντική δύναμη σε ένα αντικείμενο που είναι οκτώ έως εννέα τάξεις μεγέθους πιο βαρύ από τα σημερινά πειράματα αιχμής spin-μηχανικής».
Οι ερευνητές συνδύασαν αρκετές έξυπνες πειραματικές επιλογές για να πετύχουν το αποτέλεσμα, ξεκινώντας από το αντικείμενο σε κλίμακα εκατοστού: μια πλάκα γραφίτη, τοποθετημένη πάνω από ένα πλέγμα μαγνητών που την αιωρούσε.
Από την πλάκα κρεμόταν ένα διαμάντι 3 χιλιοστών με ειδικά ατομικά ελαττώματα, γνωστά ως nitrogen vacancy (NV) centers. Αυτά τα ελαττώματα δίνουν στο διαμάντι ηλεκτρόνια με ελεγχόμενα spin, τα οποία στη συνέχεια χειρίστηκαν με λέιζερ. Έπειτα, χρησιμοποιήθηκε ακόμη ένας μαγνήτης για να μετατραπούν αυτά τα spin σε κίνηση.
Όλο το σύστημα ζύγιζε περίπου 128 χιλιοστόγραμμα, δηλαδή όσο λίγοι κόκκοι ρυζιού, και μετατοπίστηκε κατά περίπου 100 νανόμετρα, περίπου το χιλιοστό μιας ανθρώπινης τρίχας. Δεν είναι πολύ, αλλά είναι αρκετό.
«Τα NV διαμάντια είναι καλά κατανοητά και εύκολα στον έλεγχο», λέει ο φυσικός Daehee Kim.
«Αυτό, μαζί με το γεγονός ότι τα NV centers έχουν από τους μεγαλύτερους χρόνους συνοχής που είναι γνωστοί, επιτρέποντάς τους να διατηρούν την κβαντική υπέρθεση σε θερμοκρασία δωματίου πολύ περισσότερο από άλλα συστήματα, τα καθιστά ιδιαίτερα ελκυστικά για τη δημιουργία μακροσκοπικής υπέρθεσης της κίνησης ή του αντικειμένου σε μελλοντική έρευνα».
Όταν πρόκειται για τη σύνδεση του τεράστιου, όπως η επίδραση της βαρύτητας σε έναν πλανήτη, με το υποατομικό και το κβαντικό, οι επιστήμονες συνήθως ξεκινούν από τα μικρά και προχωρούν σταδιακά προς τα πάνω. Εδώ, η ερευνητική ομάδα ακολούθησε την αντίθετη πορεία: η διάταξή της δεν ήταν πλανητικής κλίμακας, αλλά ήταν πολύ μεγάλης κλίμακας με κβαντικούς όρους.
«Εμείς ανήκουμε στην αντίθετη σχολή — από τα μεγάλα προς τα μικρά», λέει ο φυσικός Anshuman Nayak.
«Όπως η διαμαγνητική αιώρηση μπορεί να σηκώσει τρένα maglev, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αιώρηση αντικειμένων πλάτους εκατοστού που κρατούν διαμάντια, όπου η επίδραση της βαρύτητας μπορεί να είναι εξαιρετικά ισχυρή, αλλά τα κβαντικά φαινόμενα δεν έχουν παρατηρηθεί».
Όπως συμβαίνει συχνά με την κβαντική έρευνα, για όσους δεν είναι φυσικοί το θέμα μπορεί να μοιάζει αρκετά αφηρημένο και μακρινό. Ωστόσο, η επίτευξη τέτοιων ορόσημων θα βοηθήσει να απαντηθούν μερικά από τα πιο θεμελιώδη ερωτήματα για το Σύμπαν, μεταξύ των οποίων και το αν η βαρύτητα ακολουθεί κβαντικούς κανόνες.
Αξίζει να σημειωθεί ότι η κίνηση εδώ ήταν κλασική· αυτό που έχει σημασία είναι ότι την προκάλεσε ένα κβαντικό φαινόμενο. Στη συνέχεια, οι ερευνητές ελπίζουν ότι η προσέγγισή τους θα βοηθήσει να τεθούν μεγαλύτερα αντικείμενα σε κβαντικές καταστάσεις, όπως η υπέρθεση, όπου στην πράξη βρίσκονται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα.
«Δείξαμε μια μεγάλη κλασική απόκριση από ένα μικρό κβαντικό φαινόμενο», λέει ο Twamley. «Δεν είναι πλέον ερώτημα αν μια τέτοια τεχνολογία είναι δυνατή, αλλά πώς μπορούμε να βελτιώσουμε τις πειραματικές συνθήκες ώστε να πετύχουμε κβαντική υπέρθεση στο πλαίσιο της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν».
«Μετακινούμε τον πήχη από τα νανόμετρα στα εκατοστά. Το μόνο που χρειαζόμαστε είναι άλλο ένα τάγμα μεγέθους και μπορούμε επιτέλους να παρατηρήσουμε την γάτα του Σρέντινγκερ στην πραγματική ζωή».
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Science Advances.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
