Pyörimisen kvanttitila kahdessa ulottuvuudessa

Kvanttimekaniikka kertoo meille, että hiukkanen ei voi koskaan olla täysin paikallaan. Mutta kuinka tarkasti se voidaan suunnata?

Wienin yliopiston tutkimusryhmä on yhdessä TU Wienin ja Ulmin yliopiston kollegoidensa kanssa jäähdyttänyt levitoidun piidioksidinanoroottorin pyörimisliikkeen aina sen kvanttiperustilaan – kahdessa orientaation vapausasteessa.

Raportoidussa tutkimuksessa he osoittavat, kuinka optinen jäähdytys rajoittaa nanohiukkasen suunnan kvanttisen nollapistefluktuaatioiden rajoihin, jotka ovat Heisenbergin epävarmuusperiaatteen asettama väistämätön orientaatioepävarmuus.

Tällainen kvanttirajoitettu suuntautuminen on tärkeä virstanpylväs kohti pyörivää aine-aalto interferometriaa ja ultraherkkää kvanttivääntömomentin mittausta.

Kahdella akselilla tehty uusi tutkimus on ensimmäinen, joka saavuttaa roottorin suunnan kvanttirajoitetun kohdistuksen, jossa sen suunta pysyy perustavanlaatuisesti epävarmana noin 20 mikroradiaanin alueella.

”Roottorin kärki liikkuu sitten alle sadasosan yksittäisen atomin halkaisijasta”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja Stephan Troyer. ”Tämä on kuin kompassin neula, joka on suunnattu tarkemmin kuin bakteerin leveys.”

Kyky hallita pyörimistä tällä tarkkuudella on enemmän kuin laboratorioennätys; se on edellytys uuden sukupolven kvanttiteknologioille. Vaikka useimmat kvanttikokeet nykyään käyttävät yksittäisiä atomeja, ioneja tai molekyylejä, nämä piidioksidiset nanoroottorit ovat massiivisia, koostuen noin 100 miljoonasta atomista mutta ovat edelleen kvanttirajoitteisia.

Pyörivät hiukkaset tarjoavat uusia oivalluksia ja kykyjä kokeiden tulevissa versioissa: Jokaisen kierroksen jälkeen roottori päätyy samaan orientaatioon. Tämä voi synnyttää kvantti-ilmiöitä, joilla ei ole analogiaa lineaarisessa liikkeessä: kun ansoitusvalo sammutetaan, nanoroottori voi kierähtää mihin tahansa suuntiin heti kvanttisuperpositiossa.

Jos hiukkanen kehittyy häiriöttömästi, sen alkuperäinen suuntautuminen häviää ensin kokonaan ennen kuin se herää eloon hyvin määritellyn ajan kuluttua uudessa pyörivän aine-aalto interferometrian muodossa. Tämä heräämisaika tulee saavutettavaksi, kun kohteen kokoa pienennetään viruksen mittakaavaan, joka on noin 100 kertaa kevyempi kuin tässä työssä osoitettu.

"2D-jäähdytysmenetelmämme kauneus piilee siinä, että se toimii eri mittakaavoissa", sanoo Stephan Troyer. "Jäähdytys on helpompaa suuremmille kappaleille, mutta soveltamalla tekniikoitamme pienempiin rakenteisiin toivomme voivamme havaita tätä pyörivää kvantti-interferenssiä. Tämä on mielenkiintoinen järjestelmä kvanttifysiikan ja jokapäiväisen elämämme ilmiöiden välisen rajapinnan tutkimiseen."

Teknologia vie myös kvanttitehostetun vääntömomentin mittauksen uudelle tasolle: kylmä nanoroottori on erittäin herkkä ilmaisin pienille vääntömomenteille, jotka vastaavat pieniä voimia pyöriessä.