Un diamant de un centimetru a fost mișcat cu ajutorul unui efect cuantic. Experimentul apropie fizicienii de o „pisică a lui Schrödinger” macroscopică

Fizicienii de la Okinawa Institute of Science and Technology au reușit să deplaseze un diamant cu lățimea de aproximativ un centimetru folosind o forță generată de un efect cuantic. Este pentru prima dată când o astfel de influență a spinului electronic produce direct un răspuns mecanic măsurabil într-un obiect atât de mare și de masiv, potrivit OIST. Studiul a fost publicat în revista Science Advances.

Experimentul nu înseamnă că cercetătorii au creat literalmente „pisica lui Schrödinger” și nici că diamantul s-a aflat simultan în două locuri. Reușita arată însă că un efect cuantic poate produce o mișcare observabilă într-un obiect macroscopic, un pas important către experimente în care obiecte suficient de mari pentru a fi influențate de gravitație ar putea fi plasate în superpoziție cuantică. Playtech a scris recent și despre un experiment în care o particulă de sticlă de 100 de nanometri a fost împletită cu lumina, o altă încercare de a împinge efectele cuantice spre obiecte tot mai mari.

Cum poate un diamant să fie mișcat de spinul cuantic

Echipa a folosit un diamant de 128 de miligrame care conține miliarde de așa-numite centre nitrogen-vacancy, sau NV. Acestea apar atunci când un atom de azot înlocuiește un atom de carbon în structura diamantului, iar lângă el rămâne un loc vacant. Defectele pot păstra electroni neîmperecheați ale căror stări de spin pot fi controlate cu ajutorul luminii și al microundelor.

Simplificat, aceste centre se comportă ca niște magneți cuantici extrem de mici. Cercetătorii au iluminat diamantul cu impulsuri ale unui laser verde de 50 de miliwați, ceea ce a polarizat spinurile electronilor într-o stare bine definită. Schimbarea stării lor a modificat foarte puțin momentul magnetic al diamantului și a generat o forță care l-a împins spre magnetul aflat dedesubt.

Diamantul nu plutea singur. El era conectat printr-o tijă din fibră de carbon la o placă de grafit aflată în levitație diamagnetică. Deasupra acesteia se afla o oglindă, iar un interferometru măsura deplasările cu o precizie de ordinul picometrilor. Întregul sistem a fost proiectat astfel încât cercetătorii să poată separa mișcarea produsă de spinul cuantic de vibrațiile și perturbațiile obișnuite ale mediului.

Mișcarea a fost de aproximativ 100 de nanometri

Deplasarea observată nu este mare la scara vieții de zi cu zi. Prin schimbarea contribuției spinului cuantic, cercetătorii au obținut mișcări de ordinul a aproximativ 100 de nanometri. Importantă este însă masa obiectului asupra căruia a acționat forța.

Profesorul Jason Twamley, de la Quantum Machines Unit a OIST, spune că obiectul folosit este cu opt până la nouă ordine de mărime mai masiv decât sistemele folosite în cele mai avansate experimente spin-mecanice de până acum. Cercetătorii nu au observat o superpoziție macroscopică, ci un răspuns mecanic clasic produs de o forță cu origine cuantică.

Distincția este importantă. Titlurile despre fizica cuantică pot sugera uneori rezultate mult mai spectaculoase decât cele demonstrate efectiv. Playtech a explicat anterior și ce reprezintă experimentul mental al pisicii lui Schrödinger: ideea nu presupune o pisică reală aflată simultan vie și moartă, ci evidențiază dificultatea aplicării regulilor cuantice obiectelor macroscopice.

De ce vor fizicienii obiecte mari în superpoziție

Problema pe care cercetătorii încearcă să o abordeze este una dintre cele mai importante din fizică. Mecanica cuantică descrie cu o precizie extraordinară atomii și particulele subatomice, în timp ce relativitatea generală explică gravitația și comportamentul obiectelor mari. Cele două teorii funcționează extrem de bine separat, dar nu au fost încă integrate într-o descriere unitară a naturii.

Pentru a testa dacă gravitația însăși are proprietăți cuantice, fizicienii ar avea nevoie de obiecte suficient de masive încât gravitația să conteze, dar care să poată fi menținute în stări cuantice precum superpoziția. Problema este că, pe măsură ce obiectul devine mai mare, izolarea lui de căldură, vibrații și alte interferențe devine extrem de dificilă.

În mod obișnuit, experimentele pornesc de la particule foarte mici și încearcă să le mărească treptat masa. Echipa OIST a ales direcția opusă: începe cu un obiect macroscopic, levitat magnetic, și încearcă să amplifice treptat rolul efectelor cuantice în mișcarea lui.

Abordarea completează alte experimente recente care împing limitele mecanicii cuantice. Playtech a relatat inclusiv despre măsurarea unui aparent „timp negativ” în laborator, un rezultat care, asemenea celui de acum, necesită atenție pentru a nu fi confundat cu interpretări science-fiction.

Ce înseamnă de fapt „pisica lui Schrödinger în viața reală”

Cercetătorii folosesc comparația cu pisica lui Schrödinger pentru următoarea etapă a proiectului, nu pentru ceea ce au demonstrat deja. Scopul este ca, în viitor, mișcarea unui obiect macroscopic să poată fi pusă într-o superpoziție cuantică, astfel încât poziția sa să nu mai fie descrisă clasic până în momentul măsurării.

Twamley spune că echipa a arătat deja că un efect cuantic foarte mic poate produce un răspuns clasic mare și că următorul obiectiv este rafinarea condițiilor experimentale astfel încât superpoziția să poată fi obținută într-un regim în care gravitația devine relevantă. Cercetătorul estimează că mai este nevoie de aproximativ încă un ordin de mărime în performanța sistemului pentru a ajunge la regimul pe care îl compară cu o „pisică a lui Schrödinger” macroscopică.

Chiar dacă această etapă nu va fi atinsă imediat, platforma are și aplicații mai puțin spectaculoase, dar potențial utile. OIST spune că astfel de sisteme ar putea duce la senzori extrem de sensibili pentru detectarea unor fenomene precum undele gravitaționale, materia întunecată sau alte efecte fizice foarte slabe.

Experimentul nu demonstrează, așadar, că un diamant de un centimetru poate fi simultan în două locuri. Demonstrează însă ceva ce până acum era foarte greu de obținut: o forță cu origine cuantică a reușit să miște în mod măsurabil un obiect macroscopic supus gravitației. Tocmai această legătură dintre lumea cuantică și cea clasică face rezultatul important pentru următoarea generație de experimente fundamentale.