光ピンセット（小さな粒子を捕捉できる集束レーザービーム）は、今では古い帽子だと思うかもしれません。 結局、ピンセットは1970年にArthur Ashkinによって発明されました。そして、彼は今年-それが主な意味合いが最後の半世紀の間に実現された後、おそらくノーベル賞を受賞しました。
驚くべきことに、これは真実とはほど遠い。 光ピンセットは、科学者が量子力学、つまり素粒子の観点から自然を説明する理論を理解するのを支援しながら、新しい機能を明らかにしています。
この理論は、奇妙で直感に反する結論を導きました。 それらの1つは、量子力学により、単一のオブジェクトが2つの異なる現実の状態に同時に存在することを可能にすることです。 たとえば、量子物理学では、シュレーディンガーの猫の有名な思考実験のように、身体を空間内の2つの異なる場所に同時に置くことができます。
シュレディンガーの猫の2つの状態：死んでいる（左側）と生きている（右側）。 量子物理学によると、猫は両方の状態で同時に存在することができます。 （Rhoeo / Shutterstock.com） この現象の技術名は重ね合わせです。 単一原子のような小さなオブジェクトの重ね合わせが観察されています。 しかし、明らかに、私たちは私たちの日常生活で重ね合わせを見ることはありません。 たとえば、2つの場所で同時にコーヒーを飲むことはありません。
この観察を説明するために、理論物理学者は、約10億個の原子を含むナノ粒子であっても、標準的な量子力学の破綻により、重ね合わせは2つの可能性のいずれかに急速に崩壊することを示唆しました。 大きいオブジェクトの場合、崩壊の速度は速くなります。 シュレディンガーの猫にとって、この崩壊は「生きている」または「死んでいる」ことであり、猫の重ね合わせが一度に2つの状態にならない理由を説明するために、実際に瞬時に行われます。
最近まで、教科書の量子力学の修正を必要とするこれらの「崩壊理論」は、重ね合わせて大きな物体を準備することが難しいため、テストできませんでした。 これは、原子や亜原子粒子よりも大きなオブジェクトが周囲と相互作用するためです。これにより、熱が漏れて量子状態が破壊されます。
物理学者として、私たちは崩壊理論に興味があります。なぜなら量子物理をよりよく理解したいからです。具体的には、崩壊が重力効果によるものである可能性があるという理論的示唆があるからです。 物理学のすべてがこれらの2つの理論に基づいているため、量子物理学と重力の関係を見つけるのはエキサイティングです。それらの統一された記述、いわゆる「すべての理論」は現代科学の壮大な目標の1つです。
光ピンセットを入力してください
光ピンセットは、光が物質に圧力をかけることができるという事実を活用します。 強いレーザービームからの放射圧も非常に小さいですが、アシュキンは、重力に逆らって効果的に空中浮揚するナノ粒子を支えるのに十分な大きさであることを示した最初の人でした。
2010年、研究者グループは、光ピンセットに保持されたそのようなナノ粒子は、材料サポートと接触していないため、その環境から十分に隔離されていることに気付きました。 これらのアイデアに従って、いくつかのグループは、2つの異なる空間位置でナノ粒子の重ね合わせを作成および観察する方法を提案しました。
2013年にTongcang LiとLu Ming Duanのグループによって提案された興味深いスキームは、ピンセットでナノダイヤモンド結晶を巻き込みました。 ナノ粒子はピンセット内に静止していません。 むしろ、2つの場所の間を振り子のように振動し、復元力はレーザーによる放射圧から生じます。 さらに、このダイヤモンドナノ結晶には、窒素（N）極と南（S）極を持つ小さな磁石と考えられる汚染原子が含まれています。
Li-Duan戦略は3つのステップで構成されていました。 最初に、彼らはナノ粒子の運動をその量子基底状態に冷却することを提案した。 これは、このタイプの粒子が持つことができる最低のエネルギー状態です。 この状態では、粒子が動き回ることを停止し、まったく振動しないことが予想されます。 ただし、それが発生した場合、粒子がどこにあるか（ピンセットの中心）、および粒子がどのくらいの速さで移動したか（まったくではない）がわかります。 しかし、位置と速度の両方を同時に完全に知ることは、量子物理学の有名なハイゼンベルクの不確定性原理によって許可されていません。 したがって、その最低エネルギー状態でも、粒子は量子力学の法則を満たすのに十分なだけ少し動き回ります。
第二に、Li and Duanスキームでは、磁気窒素原子をその北極が上下に重なるように準備する必要がありました。
最後に、窒素原子を浮揚ダイヤモンド結晶の運動に結びつけるために磁場が必要でした。 これにより、原子の磁気的重ね合わせがナノ結晶の位置の重ね合わせに移動します。 この移動は、原子とナノ粒子が磁場によって絡み合うという事実によって可能になります。 崩壊した放射性サンプルと崩壊していない放射性サンプルの重ね合わせが、死んだ状態と生きた状態のシュレディンガーの猫の重ね合わせに変換されるのと同じように起こります。
崩壊理論の証明
重ね合わせが単一の場所に折りたたまれます。 （DreamcatcherDiana / Shutterstock.com） この理論的な仕事の歯を与えたのは、2つの刺激的な実験開発でした。 すでに2012年にLukas NovotnyとRomain Quidantのグループは、光学ピンセットの強度を調整することで、光学的に浮揚したナノ粒子を理論上可能な最低温度である絶対零度から100分の1度まで冷却できることを示しました。 効果は、適切なタイミングで押すことによって、スイングで子供を遅くするのと同じでした。
2016年には、同じ研究者が絶対零度より1万分の1程度まで冷却することができました。 この頃、私たちのグループは、微調整されたナノ粒子の量子基底状態に到達するために必要な温度が絶対零度よりも百万分の1程度高いことを証明する論文を発表しました。 この要件は困難ですが、進行中の実験の範囲内です。
2番目のエキサイティングな開発は、Nick Vamivakasのグループでの2014年の窒素欠陥を持つナノダイヤモンドの実験的浮上でした。 また、磁場を使用して、Li-Duanスキームの3番目のステップで必要な窒素原子と結晶運動の物理的結合を実現することができました。
Li-Duan計画によると、2つの場所にある物体が1つのエンティティに崩壊するのを観察できるように、レースは現在、基底状態に到達しています。 重ね合わせ理論が崩壊理論で予測された速度で破壊された場合、量子力学は既知のとおり、修正する必要があります。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
Mishkat Bhattacharya、ロチェスター工科大学天文学部准教授、Nick Vamivakas、ロチェスター大学量子光学・量子物理学准教授
