اولین مشاهده از چرخش های کوانتومی که یک جسم در مقیاس سانتی متری را در آزمایشگاه جابجا می کند

توسط موسسه علم و فناوری اوکیناوا

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

پیشرفت های تکنولوژیک مدرن مانند لیزرها، اسکنرهای MRI، نیمه هادی ها و کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر مطالعه مکانیک کوانتومی است. با این حال، این حوزه عمدتا بر پدیده‌های (زیر) اتمی به دور از حواس انسانی ما متمرکز شده است.

نشان دادن پدیده‌های کوانتومی در اجسامی که به اندازه کافی جرم دارند که تحت تأثیر گرانش قرار گیرند، دشوار است، زیرا جداسازی اجسام بزرگ از عوامل محیطی مانند گرما و ارتعاش بسیار دشوارتر از ذرات نانوسکوپی است.

اما اکنون، محققان موسسه علم و فناوری اوکیناوا (OIST) یک الماس معلق به عرض یک سانتی متر را با استفاده از نیروی تولید شده توسط اسپین الکترون به تنهایی حرکت داده اند، اولین باری است که یک اثر کوانتومی مشاهده می شود که مستقیما یک جسم تحت گرانش را دستکاری می کند.

یافته‌های آن‌ها که امروز در Science Advances منتشر شد، پایه جدیدی برای مطالعه مرز بین فیزیک کلاسیک و کوانتومی ایجاد کرد، راه‌های جدیدی را برای کاوش در ماهیت بنیادی جهان ما و همچنین توسعه کلاس جدیدی از حسگرهای بسیار دقیق برای تشخیص ماده تاریک، امواج گرانشی و سایر پدیده‌های عجیب و غریب ایجاد کرد.

پروفسور جیسون تواملی از واحد ماشین‌های کوانتومی OIST توضیح می‌دهد: "تلاش‌های زیادی برای آزمایش اینکه آیا مکانیک کوانتومی برای هر چیزی بزرگ‌تر از چند ده نانومتر قابل تحمل است یا خیر، تا کنون بدون موفقیت انجام شده است. اکنون، ما یک واکنش مکانیکی کلاسیک به یک نیروی کوانتومی روی جسمی را مشاهده کرده‌ایم که هشت تا نه مرتبه جرم فعلی بیش‌تر از magna است. آزمایشات مکانیکی اسپینی."

فیزیک کلاسیک و کوانتوم مدت‌هاست که بر سر مسائل مقیاس تقسیم شده‌اند. گرانش در نظریه نسبیت عام در فیزیک کلاسیک مرکزی است، با این حال اثرات آن در مقیاس نانومتری، جایی که پدیده‌های کوانتومی مشاهده شده‌اند، بسیار ضعیف هستند. برعکس، برهم نهی موقعیتی - پدیده ای که در آن یک ذره تا زمان اندازه گیری همزمان در مکان های کاملا متفاوتی وجود دارد - فقط به صورت تجربی در سطح میکروسکوپی نشان داده شده است.

آنشومان نایاک، نویسنده اول، دکترای دکترا توضیح می دهد: "برای آزمایش ماهیت کوانتومی گرانش، ما در نهایت نیاز داریم که اجسامی با جرم کافی بزرگ را در برهم نهی کوانتومی قرار دهیم. و این اجرام باید در خلاء معلق شوند تا تاثیر نویز محیطی به حداقل برسد." دانشجو در واحد «رویکرد معمولی این بوده است که با اجسام بسیار کوچک و معلق شروع کنیم و به تدریج جرم آنها را تا زمانی که اثرات گرانش مرتبط شوند، افزایش دهیم.

اما معلق کردن اجسام در مقیاس ماکرو با استفاده از تکنیک‌های مرسوم، مانند تله‌های نوری، بسیار چالش برانگیز بوده است. به همین دلیل است که ما در اردوگاه مخالف قرار داریم - از بزرگ به کوچک. مشاهده شد."

کلید ترکیب دستگاه‌های کوچک‌تری بود که اخیرا توسط همان تیم به‌طور تجربی نشان داده شد: یک صفحه گرافیتی دیامغناطیسی معلق مجهز به یک آینه، متصل به یک میله کربنی که از محافظ مغناطیسی به الماس آویزان بالای آهنربا می‌گذرد. این الماس دارای میلیاردها مرکز به اصطلاح فضای خالی نیتروژن (NV) است که الکترون های جفت نشده را به دام می اندازد و از طریق نیروی اسپین کوانتومی خود مانند آهنرباهای کوانتومی کوچک و قابل کنترل عمل می کند.

نورپردازی دوره‌ای الماس با لیزر سبز، این مراکز را به حالت چرخشی از پیش تعریف‌شده قطبی می‌کند و نوسانات مغناطیسی کوچکی ایجاد می‌کند که الماس را به سمت پایین هل می‌دهد. محققان این حرکت را با استفاده از تداخل سنج ردیابی کردند که لیزر را از آینه کوچک روی صفحه گرافیتی منعکس می‌کند تا تغییرات فاصله را با دقت پیکومتر اندازه‌گیری کند.

Daehee Kim یکی از نویسندگان این مقاله می‌افزاید: "الماس‌های NV به خوبی درک شده‌اند و کنترل آن‌ها آسان است. این، و این واقعیت که مراکز NV دارای طولانی‌ترین زمان‌های انسجام شناخته‌شده هستند، به آنها اجازه می‌دهد تا برهم نهی کوانتومی را در دمای اتاق بسیار طولانی‌تر از سایر سیستم‌ها حفظ کنند، آنها را به‌ویژه برای ایجاد برهم‌نهی ماکروسکوپی حرکت یا یک شی در تحقیقات آینده جذاب می‌کند." دانشجو در واحد

انیشتین در دهه های آخر زندگی خود با مکانیک کوانتومی دست و پنجه نرم کرد، نه به این دلیل که دشوار است، بلکه به این دلیل که مجموعه ای از سؤالات هنوز بی پاسخ درباره نسبیت عام مطرح می کند. آیا گرانش کوانتومی است یا کاملا کلاسیک؟ چه اتفاقی برای اطلاعات در مرکز سیاهچاله می افتد؟ ماده تاریک و انرژی تاریک چیست؟ آیا یک جسم با جرم واقعا می تواند در دو مکان در آن واحد باشد؟

این سؤالات عمدتا به دلیل گسست اساسی بین چارچوب های ریاضی، نظری و تجربی فیزیک کوانتومی و کلاسیک از علم دور مانده اند. اما اکنون، با نشان دادن یک اثر مکانیکی که صرفا از اسپین کوانتومی ناشی می شود، تیم OIST یک پلت فرم آزمایشی برای آزمایش نظریه های عجیب و غریب فیزیک ایجاد کرده است.

تواملی نتیجه می‌گیرد: "ما یک پاسخ کلاسیک بزرگ از یک اثر کوانتومی کوچک نشان داده‌ایم. دیگر بحث امکان پذیر بودن چنین فناوری نیست، بلکه این است که چگونه می‌توانیم شرایط تجربی را برای دستیابی به برهم نهی کوانتومی در رژیم نسبیت عام انیشتین اصلاح کنیم. و در راه، ما در حال توسعه یک کلاس جدید از سنسورهای بسیار دقیق هستیم. بزرگی، و ما در نهایت می توانیم گربه شرودینگر را در زندگی واقعی مشاهده کنیم."

Anshuman Nayak و همکاران، Spin-force از یک گروه Nitrogen-Vacancy یک رزوناتور معلق 100 میلی گرمی را هدایت می کند، Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aeh0566. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeh0566

ارائه شده توسط موسسه علم و فناوری اوکیناوا

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →