Почти е достигнато квантово основно състояние на най-големия обект досега

Ваня Милева Последна промяна на 21 юни 2021 в 00:00 15448 0

Едно от огледалата на LIGO. Кредит: Caltech/MIT/LIGO Lab

Много рядко нещо е напълно неподвижно. Цялата нормална материя във Вселената е изградена от трептящи частици, вибриращи на собствените си честоти.

Ако успеем да ги накараме да се забавят възможно най-много, материята изпада в това, което се нарича основно състояние на движение, състоянието на атомите с минимална енергия.

В това състояние физиците могат да извършват тестове на квантовата механика и квантовата гравитация, изследвайки границата с класическата физика, за да търсят начин за обединяване на двете.

По-рано това се е извършвало в наномащаб, но сега за първи път това е направено върху масивен „обект“ - колективните движения на четирите огледала на гравитационния вълнов интерферометър LIGO, известен като оптикомеханичен осцилатор, с ефективна маса 10 килограма.

Работата представлява нов начин за изследване на квантовата област.

„Никой никога не е наблюдавал как гравитацията действа върху квантовите състояния на масивни обекти“, заявява машинен инженер Вивишек Судхир (Vivishek Sudhir) от Масачузетския технологичен институт (MIT). 

„Демонстрирахме как да подготвяме килограмови обекти в квантови състояния. Това най-накрая отваря вратата за експериментално изследване на това как гравитацията може да повлияе на големи квантови обекти, нещо, за което досега само сме мечтали.

Постигането на квантовото основно състояние на облак от атоми не е лесно. Трябва да се охладят атомите, като се приложи точното количество сила, за да спрат вибрациите им. Ако не се охладят достатъчно, те само ще се забавят. Така че трябва да знаете точното енергийно ниво и посоката на вибрациите на атома, за да се приложи подходящата сила, за да се спрат.

Това се нарича „охлаждане с обратна връзка“, а в наномащаб е по-лесно да се направи, защото е по-лесно да се изолират по-малките групи атоми и да се сведе до минимум интерференцията. Колкото по-голям е обектът, толкова по-трудно става справянето с тази интерференция.

LIGO е един от най-прецизните инструменти за измерване на фино движение. Той е проектиран да открива малки вълнички в пространство-времето, генерирани от сблъсъци между масивни обекти на разстояние от милиарди светлинни години.

Схема на LIGO. Кредит: LIGO

Състои се от L-образна вакуумна камера, с лазерни светлини, осветени по двата й 4-километрови тунела, и изпратени към разделител на лъчи към четири огледала, по едно във всеки край на всеки тунел. Когато пространство-времето се вълнува, огледалата изкривяват светлината, създавайки интерферентен модел, който учените могат да декодират, за да определят причината. И е толкова чувствителен, че може да засече промяна само на една десет хилядна от размера на протон или 10-19 метра.

Всяко от четирите 40-килограмови огледала на LIGO е окачено и колективното им движение съставя осцилатора. Балансът на огледалата ефективно намалява 160 килограма общо тегло до един обект от само 10 килограма.

„LIGO е проектиран да измерва съвместното движение на четирите 40-килограмови огледала“, обяснява Судхир. "Оказва се, че може да се картографира съвместното движение на тези маси математически и да се приеме като движение на единичен 10-килограмов обект".

Чрез прецизно измерване на движението на този генератор, екипът се надяваш да определи точно скоростта на охлаждане с обратна връзка,необходима за индуциране на основното състояние на движение и след това да го приложи.

Усъвършенстваният интерферометър LIGO. (а) Лазерната светлина се разделя и рекомбинира при разделителя на лъчите, образувайки интерферометър на Майкълсън. Вложката показва системата за окачване на всяко от четирите огледала от 40 кг: крайната маса на предната верига е огледалото от 40 кг, окачено върху силициеви въжета (в лилаво); те могат да бъдат изместени от електростатични сили поради напрежения, приложени върху електроди (в жълто) върху окачената зад нея реакционна маса; скицирана е човешка фигура за мащаб. (b) Чувствителността на изместване (червено) на интерферометъра е 2 · 10−20 m / √ Hz при 100–200 Hz, което в голяма степен е шум от заснемането (в светлочервено), потиснат с около 3 dB от вакуума (в червено) и комбинация от странични технически шумове (в сиво). Синята лента показва честотния интервал, в който режимът на махалото се улавя и охлажда.  Кредит: Caltech/MIT/LIGO Lab

За съжаление самият акт на измерване хвърля степен на случайност в уравнението, което затруднява предсказването на видовете въздействия,необходими за премахването на енергията от атомите на огледалото.

За да коригира това, екипът проучва всеки фотон, за да оцени активността им при предишни сблъсъци, като непрекъснато изгражда по-точна карта за това как да приложи правилните сили и да постигне охлаждане.

След това те прилагат изчислената сила, използвайки електромагнити, прикрепени към гърбовете на огледалата.

И това проработва. Осцилаторът сприра да се движи, почти напълно. Остатъчната му енергия е еквивалентна на температура от 77 нанокелвина (-273,15 градуса по Целзий).

Неговото основно състояние на движение, 10 нанокелвина, е изключително близко, особено като се има предвид началната точка на стайната температура. А 77 нанокелвина също така е много близо до температурите, използвани в изследванията на основни състояние в наномащаб.

Освен това отваря вратата към някои вълнуващи възможности. Макромащабни демонстрации и измервания на квантови явления - и може би дори техни приложения.

Но квантовата гравитация е големият проблем. Обектите с килограмова маса са по-податливи на гравитация, но работата на екипа поражда надежда да се използва този масов режим за изследване на квантовата област.

„Подготовката на нещо в основно състояние често е първата стъпка към въвеждането му в вълнуващи или екзотични квантови състояния“, коментира физикът Крис Уитъл (Chris Whittle) от MIT и колаборацията LIGO.

„Така че тази работа е вълнуваща, защото може да ни позволи да изучаваме някои от тези други състояния, в мащаб на масите, което никога не е правено преди“.

Справка: Approaching the motional ground state of a 10-kg object, Chris Whittle, Evan D. Hall, Sheila Dwyer, Nergis Mavalvala, Vivishek Sudhir, R. Abbott, A. Ananyeva et al., Science 18 Jun 2021: Vol. 372, Issue 6548, pp. 1333-1336 DOI: 10.1126/science.abh2634

На свободен достъп: https://arxiv.org/pdf/2102.12665.pdf

Източник: Physicists Nearly Reach Elusive Quantum Ground State on The Largest 'Object' Yet, ScienceAlert

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Физика

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !