Man könnte meinen, dass die optische Pinzette - ein fokussierter Laserstrahl, der kleine Partikel einfangen kann - mittlerweile ein alter Hut ist. Schließlich wurde die Pinzette 1970 von Arthur Ashkin erfunden. In diesem Jahr erhielt er dafür den Nobelpreis - vermutlich nachdem die wichtigsten Auswirkungen im letzten halben Jahrhundert erkannt worden waren.
Erstaunlicherweise ist dies alles andere als wahr. Die optische Pinzette enthüllt neue Fähigkeiten und hilft Wissenschaftlern dabei, die Quantenmechanik zu verstehen. Diese Theorie erklärt die Natur anhand subatomarer Teilchen.
Diese Theorie hat zu seltsamen und kontraintuitiven Schlussfolgerungen geführt. Eine davon ist, dass die Quantenmechanik es ermöglicht, dass ein einzelnes Objekt gleichzeitig in zwei verschiedenen Realitätszuständen existiert. Beispielsweise ermöglicht die Quantenphysik, dass sich ein Körper gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten im Raum befindet - oder sowohl tot als auch lebendig, wie im berühmten Gedankenexperiment von Schrödingers Katze.
Die beiden Zustände von Schrödingers Katze: tot (links) und lebendig (rechts). Die Quantenphysik sagt, dass die Katze in beiden Zuständen gleichzeitig existieren kann. (Rhoeo / Shutterstock.com) Die technische Bezeichnung für dieses Phänomen lautet Überlagerung. Für winzige Objekte wie einzelne Atome wurden Überlagerungen beobachtet. Aber klar, wir sehen niemals eine Überlagerung in unserem täglichen Leben. Zum Beispiel sehen wir nicht eine Tasse Kaffee gleichzeitig an zwei Orten.
Zur Erklärung dieser Beobachtung schlugen theoretische Physiker vor, dass bei großen Objekten - selbst bei Nanopartikeln mit etwa einer Milliarde Atomen - die Überlagerungen aufgrund einer Störung der Standardquantenmechanik schnell in die eine oder andere der beiden Möglichkeiten kollabieren. Bei größeren Objekten ist die Kollapsrate schneller. Für Schrödingers Katze wäre dieser Zusammenbruch - "lebendig" oder "tot" - praktisch augenblicklich, was erklärt, warum wir niemals die Überlagerung einer Katze in zwei Zuständen gleichzeitig sehen.
Bis vor kurzem konnten diese „Kollaps-Theorien“, die Modifikationen der Lehrbuchquantenmechanik erfordern würden, nicht getestet werden, da es schwierig ist, ein großes Objekt in einer Überlagerung herzustellen. Dies liegt daran, dass größere Objekte mehr mit ihrer Umgebung interagieren als Atome oder subatomare Partikel - was zu Wärmelecks führt, die Quantenzustände zerstören.
Als Physiker interessieren wir uns für Kollaps-Theorien, weil wir die Quantenphysik besser verstehen wollen und weil es theoretische Hinweise gibt, dass der Kollaps auf Gravitationseffekte zurückzuführen sein könnte. Es wäre spannend, eine Verbindung zwischen Quantenphysik und Gravitation zu finden, da die gesamte Physik auf diesen beiden Theorien beruht und ihre einheitliche Beschreibung - die sogenannte Theorie von Allem - eines der Hauptziele der modernen Wissenschaft ist.
Betritt die optische Pinzette
Optische Pinzetten nutzen die Tatsache, dass Licht Druck auf Materie ausüben kann. Obwohl der Strahlungsdruck selbst eines intensiven Laserstrahls recht gering ist, zeigte Ashkin als erster, dass er groß genug ist, um ein Nanopartikel zu tragen, der Schwerkraft entgegenzuwirken und es effektiv zu schweben.
Im Jahr 2010 stellte eine Gruppe von Forschern fest, dass ein solches Nanopartikel, das von einer optischen Pinzette gehalten wird, von seiner Umgebung gut isoliert ist, da es keinen Kontakt mit einem Materialträger hat. Im Anschluss an diese Ideen schlugen mehrere Gruppen Wege vor, um Überlagerungen eines Nanopartikels an zwei unterschiedlichen räumlichen Orten zu erzeugen und zu beobachten.
Ein faszinierendes Schema, das von den Gruppen von Tongcang Li und Lu Ming Duan im Jahr 2013 vorgeschlagen wurde, beinhaltete einen Nanodiamantkristall in einer Pinzette. Das Nanopartikel sitzt nicht still in der Pinzette. Sie pendelt vielmehr wie ein Pendel zwischen zwei Stellen, wobei die Rückstellkraft vom Strahlungsdruck durch den Laser ausgeht. Ferner enthält dieser Diamantnanokristall ein kontaminierendes Stickstoffatom, das als winziger Magnet mit einem Nordpol (N) und einem Südpol (S) angesehen werden kann.
Die Li-Duan-Strategie bestand aus drei Schritten. Zunächst schlugen sie vor, die Bewegung des Nanopartikels auf seinen Quantengrundzustand abzukühlen. Dies ist der niedrigste Energiezustand, den diese Art von Teilchen haben kann. Wir könnten erwarten, dass in diesem Zustand das Teilchen aufhört, sich zu bewegen, und überhaupt nicht schwingt. In diesem Fall würden wir jedoch wissen, wo sich das Partikel (in der Mitte der Pinzette) befand und wie schnell es sich bewegte (überhaupt nicht). Das bekannte Heisenbergsche Unschärfeverfahren der Quantenphysik erlaubt es jedoch nicht, Position und Geschwindigkeit gleichzeitig perfekt zu kennen. Somit bewegt sich das Teilchen selbst in seinem niedrigsten Energiezustand ein wenig, gerade genug, um die Gesetze der Quantenmechanik zu erfüllen.
Zweitens erforderte das Li-und-Duan-Schema, dass das magnetische Stickstoffatom in einer Überlagerung seines nach oben und unten gerichteten Nordpols hergestellt wurde.
Schließlich wurde ein Magnetfeld benötigt, um das Stickstoffatom mit der Bewegung des schwebenden Diamantkristalls zu verbinden. Dies würde die magnetische Überlagerung des Atoms auf die Ortsüberlagerung des Nanokristalls übertragen. Dieser Transfer wird dadurch ermöglicht, dass das Atom und das Nanopartikel durch das Magnetfeld verwickelt sind. Es geschieht auf die gleiche Weise, dass die Überlagerung der zerfallenen und nicht zerfallenen radioaktiven Probe in die Überlagerung von Schrödingers Katze in toten und lebendigen Zuständen umgewandelt wird.
Beweisen der Kollaps-Theorie
Zusammenbruch der Überlagerung an einem Ort. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) Was dieser theoretischen Arbeit Zähne gab, waren zwei aufregende experimentelle Entwicklungen. Bereits 2012 zeigten die Gruppen von Lukas Novotny und Romain Quidant, dass es möglich ist, ein optisch schwebendes Nanopartikel durch Modulation der Intensität der optischen Pinzette auf ein Hundertstel Grad über den absoluten Nullpunkt - die theoretisch niedrigste mögliche Temperatur - abzukühlen. Der Effekt war der gleiche wie der eines Kindes, das auf einer Schaukel langsamer wurde, indem es zum richtigen Zeitpunkt drückte.
Dieselben Forscher konnten sich 2016 auf ein Zehntausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlen. Ungefähr zu dieser Zeit veröffentlichten unsere Gruppen ein Papier, in dem festgestellt wurde, dass die Temperatur, die erforderlich ist, um den Quantengrundzustand eines pinzettierten Nanopartikels zu erreichen, etwa ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt. Diese Anforderung ist anspruchsvoll, aber in Reichweite laufender Experimente.
Die zweite aufregende Entwicklung war die experimentelle Levitation eines stickstoffdefekttragenden Nanodiamanten im Jahr 2014 in der Gruppe von Nick Vamivakas. Mithilfe eines Magnetfelds konnten sie auch die physikalische Kopplung des Stickstoffatoms und die Kristallbewegung erreichen, die für den dritten Schritt des Li-Duan-Schemas erforderlich sind.
Das Rennen ist nun im Begriff, den Grundzustand zu erreichen, so dass - gemäß dem Li-Duan-Plan - ein Objekt an zwei Orten beobachtet werden kann, wie es zu einer einzigen Einheit zusammenfällt. Wenn die Überlagerungen mit der von den Kollaps-Theorien vorhergesagten Geschwindigkeit zerstört werden, muss die Quantenmechanik, wie wir sie kennen, überarbeitet werden.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Mishkat Bhattacharya, außerordentlicher Professor an der School of Astronomy am Rochester Institute of Technology und Nick Vamivakas, außerordentlicher Professor für Quantenoptik und Quantenphysik an der Universität von Rochester
