Mitä löytyy kvanttisesta nollapisteestä

ETH Zürichin tutkijat ovat osoittaneet, että jopa suuret kappaleet, joissa on useita satoja miljoonia atomeja, voivat käyttäytyä kvanttimekaanisesti – ilman jäähdytystä ja huoneenlämmössä. Tämä tarjoaa jännittäviä mahdollisuuksia uusille teknologioille.

Tutkimusasetelmassa kolme nanolasipalloa takertuu toisiinsa. Ne muodostavat klusterin, joka muistuttaa kolmen jäätelöpallon pinoamista päällekkäin.

Optisen laitteen ja lasersäteiden avulla tutkijat onnistuivat pitämään tällaiset esineet lähes täysin liikkumattomina leijunnassa. Tämä on merkittävää kvanttisensoreiden tulevan kehityksen kannalta, jotka yhdessä kvanttitietokoneiden kanssa muodostavat kvanttitutkimuksen lupaavimmat sovellukset.

Osana levitaatiokoetta tutkijat pystyivät eliminoimaan lasipalloihin vaikuttavan painovoiman. Kuitenkin nanokappaleen liittyi edelleen pieni pyörimisvärähtely. Se on perustavanlaatuinen kvanttiliike, jota esiintyy kaikissa kappaleissa ja jota fyysikot kutsuvat nollapistefluktuaatioksi. "Kvanttimekaniikan periaatteiden mukaan mikään kappale ei voi koskaan pysyä täysin paikallaan", selittää postdoc Lorenzo Dania. "Mitä suurempi kappale on, sitä pienempiä nämä nollapistefluktuaatiot ovat ja sitä vaikeampaa niitä on havaita."

Mahdollisia sovelluksia ovat fysiikan perustutkimus, jossa suunnitellaan kokeita painovoiman ja kvanttimekaniikan välisen suhteen tutkimiseksi. Myös antureiden kehittäminen pienten voimien, kuten kaasumolekyylien tai jopa alkeishiukkasten, mittaamiseksi anturiin vaikuttavien voimien osalta on mahdollista.

Frankfurtin Goethe -yliopiston tutkijat ovat puolestaan ensimmäisinä visualisoineet suoraan suuren molekyylin kvanttisen nollapisteen liikkeen. Tämä liike havaitaan hiukkasilla jopa absoluuttisessa nollapisteessä.

Yhteistyössä Max Planck -ydinfysiikan instituutin, Hampurin yliopiston, eurooppalaisen XFEL-spektroskopian ja muiden kumppaneiden kanssa he onnistuivat tekemään tästä atomien "ikuisesta tanssista" näkyvän.

Vaikka aihe liittyy Heisenbergin epämääräisyysperiaatteeseen, silti tämä ikuinen kvanttitanssi ei ole kaoottinen vaan tanssijat noudattavat tiukkaa koreografiaa.

Molekyyleissä tällä oudolla käyttäytymisellä on toinenkin seuraus: Vaikka molekyyli jäätyisi täysin absoluuttiseen nollapisteeseen, se ei koskaan todella pysähdy. Atomit, joista se on tehty, tekevät jatkuvaa, loputonta hiljaista tanssia, jota ohjaa niin sanottu nollapiste-energia.

Nämäkin tulokset tarjoavat täysin uusia näkökulmia kvantti-ilmiöihin. Tutkijat voivat ensimmäistä kertaa suoraan havaita monimutkaisia nollapisteen liikkeen kaavoja monimutkaisemmissa molekyyleissä.

”Parannamme menetelmäämme jatkuvasti ja suunnittelemme jo seuraavia kokeita”, Jahnke sanoo. ”Tavoitteenamme on mennä atomien tanssin tuolle puolen ja tarkkailla lisäksi elektronien tanssia – koreografiaa, joka on huomattavasti nopeampi ja johon myös atomien liike vaikuttaa.

Aiheesta aiemmin:

Askel kohti mekaanisten kubittien toteuttamista

Einsteinin jalanjäljissä