All’occhio umano, la maggior parte delle cose stazionarie sembra essere semplicemente cose perfettamente ferme e a riposo. Tuttavia, se ci venisse data una lente quantistica, che ci permettesse di vedere le cose sulla scala dei singoli atomi, quella che una volta era una mela seduta pigramente alla nostra scrivania apparirebbe come un insieme affollato di particelle vibranti, che si muovono molto.

Negli ultimi decenni, i fisici hanno trovato il modo di raffreddare gli oggetti in modo che i loro atomi siano fermi o “in movimento” terra demanialeFino ad ora, i fisici hanno lottato con oggetti piccoli come nuvole di milioni di atomi, o oggetti su scala di nanogrammi, in tali stati quantistici puri.

Ora, per la prima volta, gli scienziati del MIT e altrove hanno raffreddato una grande scala umana نطاق Tema avvicinandosi al suo stato di terra in movimento. L’oggetto non è tangibile nel senso che si trova in un posto, ma è un movimento congiunto di quattro oggetti separati, ciascuno del peso di circa 40 chilogrammi. La massa dell'”oggetto” che i ricercatori hanno raffreddato è stimata in circa 10 chilogrammi, ed è composta da circa 1 x 10²⁶, o circa 1 ottilione di atomo.

I ricercatori hanno sfruttato la capacità del Laser Gravitational-Wave Observatory (LIGO) di misurare il movimento delle masse con precisione millimetrica e raffreddare il movimento di massa delle masse a 77 nanokelvin, poco meno dello stato fondamentale previsto dell’oggetto. di 10 nanokelvin.

I loro risultati, che appaiono oggi in Scienza, rappresenta l’oggetto più grande che è stato raffreddato per avvicinarsi al suo stato fondamentale cinetico. Gli scienziati affermano di avere ora la possibilità di osservare l’effetto della gravità su un oggetto quantistico massiccio.

“Nessuno ha mai osservato come la gravità agisce su stati quantistici massicci”, afferma Vivishek Sudhir, un assistente professore di ingegneria meccanica al MIT che ha diretto il progetto. “Abbiamo mostrato come preparare oggetti della scala di un chilogrammo in stati quantistici. Questo apre finalmente la porta a uno studio sperimentale su come la gravità influisce su grandi oggetti quantistici, qualcosa che non abbiamo ancora nemmeno sognato”.

Gli autori dello studio sono membri del Laboratorio LIGO e comprendono l’autore principale e studente laureato Chris Whittle, il ricercatore post-dottorato Evan Hall, la ricercatrice Sheila Dwyer, il preside del College of Science, il professore di astrofisica Curtis e Kathleen Marple, Nergis Mavalala e Vivishek Assistant Professor di Ingegneria Meccanica Sudhir.

risposta accurata

Tutti gli oggetti incarnano un qualche tipo di movimento come risultato delle molte interazioni che gli atomi hanno, tra loro e da influenze esterne. Tutto questo movimento casuale si riflette nella temperatura corporea. Quando un oggetto viene raffreddato vicino alla temperatura zero, ha ancora un movimento quantistico residuo, uno stato chiamato “stato fondamentale in movimento”.

Per fermare un oggetto nel suo corso, si può esercitare su di esso una forza uguale e contraria. (Pensa a fermare una palla da baseball a metà volo con la forza del tuo guanto.) Se gli scienziati potessero misurare con precisione le dimensioni e la direzione dei movimenti di un atomo, potrebbero applicare forze opposte per abbassarne la temperatura, una tecnica nota come backcooling.

I fisici hanno applicato il back-cooling attraverso vari mezzi, inclusa la luce laser, per portare singoli atomi e oggetti luminosi ai loro stati quantistici fondamentali, e hanno tentato di raffreddare gradualmente oggetti più grandi in modo drammatico, per studiare gli effetti quantistici in sistemi convenzionali più grandi.

“Il fatto che qualcosa abbia una temperatura è un riflesso dell’idea che sta interagendo con le cose che lo circondano”, afferma Sudhir. È difficile isolare oggetti di grandi dimensioni da tutte le cose che accadono intorno a loro.

Per raffreddare gli atomi di un grande corpo in uno stato vicino alla Terra, bisogna prima misurare il loro movimento con estrema precisione, per conoscere il grado di pressione richiesto per fermare questo movimento. Pochi strumenti al mondo possono raggiungere una tale precisione. Lego, come succede, può.

L’Osservatorio di rilevamento delle onde gravitazionali include due interferometri in località separate negli Stati Uniti. Ogni interferometro ha due lunghi tunnel a forma di L collegati che si estendono per 4 km in entrambe le direzioni. Alle due estremità di ogni tunnel c’è uno specchio di 40 chilogrammi sospeso da fibre sottili, che oscilla come un pendolo in risposta a qualsiasi disturbo come un’onda gravitazionale in arrivo. Un raggio laser viene diviso nel punto di connessione dei tunnel e inviato lungo ogni tunnel, quindi riflesso alla sua sorgente. La tempistica dei laser di ritorno dice agli scienziati esattamente di quanto si sta muovendo ogni specchio, con una precisione di 1/10000 della larghezza di un protone.

Sudhir e i suoi colleghi si sono chiesti se potevano utilizzare l’accuratezza della misurazione del movimento di LIGO per misurare prima il movimento di oggetti grandi di dimensioni umane e quindi applicare una forza opposta, l’opposto di ciò che stanno misurando, per portare gli oggetti al loro stato fondamentale.

Rispondi al lavoro back

La cosa che mirano a raffreddare non è un singolo specchio, ma piuttosto il movimento combinato dei quattro specchi LIGO.

“LIGO è progettato per misurare il movimento combinato dei quattro specchi da 40 chilogrammi”, spiega Sudhir. “Si scopre che puoi mappare matematicamente il movimento combinato di queste masse e pensarlo come il movimento di un singolo corpo da 10 chilogrammi”.

Quando si misura il movimento degli atomi e altri effetti quantistici, dice Sudhir, l’atto stesso della misurazione può dare un calcio allo specchio in modo casuale e metterlo in movimento – un effetto quantistico chiamato “misurazione dell’azione posteriore”. Quando i singoli fotoni del laser rimbalzano sullo specchio per raccogliere informazioni sul loro movimento, la quantità di moto del fotone viene rimbalzata sullo specchio. Sudhir e colleghi si sono resi conto che se gli specchi venivano misurati continuamente, come in LIGO, si poteva osservare il rimbalzo casuale dei fotoni precedenti nelle informazioni trasportate dai fotoni successivi.

Armati di una registrazione completa delle perturbazioni sia quantistiche che classiche su ogni specchio, i ricercatori hanno applicato una forza uguale e contraria con un elettromagnete montato sul retro di ogni specchio. Questo effetto ha spinto il movimento della massa quasi a un punto morto, lasciando gli specchi con poca energia per muoversi di più di 10^-20 metri, meno di un millesimo delle dimensioni di un protone.

Il team ha quindi equiparato l’energia residua dell’oggetto, o movimento, alla temperatura, e ha scoperto che l’oggetto si trovava a 77 nanokelvin, molto vicino al suo stato fondamentale cinetico, che si aspettava fosse di 10 nanokelvin.

“Questo è paragonabile alla temperatura dei fisici atomici che raffreddano i loro atomi al loro stato fondamentale, attraverso una piccola nuvola di forse un milione di atomi, del peso di picogrammi”, afferma Sudhir. “Quindi è straordinario che tu possa raffreddare qualcosa di molto più pesante, alla stessa temperatura.”

“Preparare qualcosa nello stato fondamentale è spesso il primo passo per metterlo in stati quantistici eccitanti o esotici”, afferma Whittle. “Quindi questo lavoro è entusiasmante perché potrebbe permetterci di studiare alcuni di questi altri casi, su una scala che non è stata fatta prima”.