Ανιχνεύθηκαν για πρώτη φορά κβαντικές δονήσεις σε στερεό αντικείμενο

Κανένα σωματίδιο δεν παραμένει ακίνητο. Ακόμα και στο απόλυτο μηδέν, όταν η θερμική διαταραχή της ύλης κανονικά παγώνει, η κβαντομηχανική επιτρέπει στα σωματίδια να διατηρούν μια απειροελάχιστη δόνηση (διαταραχή). Τώρα αυτή η λεπτή διαταραχή έχει εντοπιστεί σε ένα μικρό κομμάτι πυριτίου, το πρώτο στερεό αντικείμενο στο οποίο έχουμε αποκαλύψει τις κβαντικές ταλαντώσεις του.

 

Το οπτομηχανικό σύστημα ΄αποτελείται από μία κοιλότητα Fabry-Perot με ένα κινητό κάτοπτρο. Η θέση x του κατόπτρου ορίζει το μήκος της κοιλότητας, και ως εκ τούτου, τη συχνότητα ωM στην κοιλότητα. Αυτό το κάτοπτρο (το οποίο στηρίζεται μέσω ενός ελατηρίου) είναι το ίδιο με τη σειρά του με ένα μηχανικό σύστημα με συχνότητα δόνησης ωM.
 

Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται διακύμανση μηδενικού σημείου, είναι συνέπεια της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg, η οποία λέει ότι δεν μπορούμε ποτέ να εξακριβώσουμε ταυτόχρονα με ακρίβεια τη θέση και την ορμή οποιουδήποτε αντικειμένου. Μέχρι στιγμής την ενέργεια μηδενικού σημείου την είχαμε δει άμεσα μόνο σε μεμονωμένα άτομα ή μικρές συλλογές σωματιδίων.

 

Το νέο πείραμα χρησιμοποιεί ένα μικρό κομμάτι πυριτίου μήκους περίπου 12 μικρόμετρα και πλάτους λιγότερο από ένα μικρόμετρο. Ο Oskar Painter στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας και οι συνεργάτες του έψυξαν το πυρίτιο έως μισό βαθμό πάνω από το απόλυτο μηδέν και στη συνέχεια χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ για να ανιχνεύσουν την κίνησή του.

 

Μερικά φωτόνια από το λέιζερ απέκτησαν λίγη περισσότερη ενέργεια όταν χτύπησαν το δονούμενο πυρίτιο. Οι συνηθισμένες θερμικές δονήσεις μπορούν είτε να ενισχύσουν είτε να μειώσουν την ενέργεια των φωτονίων, αλλά η κβαντική δόνηση στο σημείο μηδέν είναι διαφορετική. Επειδή είναι η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση που είναι δυνατόν να υπάρχει, μπορεί να απορροφήσει  ενέργεια μόνο. Η ομάδα Painter’ ανίχνευσε αυτή την κλίση προς την χαμηλή ενέργεια του σκεδαζόμενου φωτός, μια σαφής υπογραφή μιας κβαντικής δόνησης.

 

«Βλέποντας αυτά τα αποτελέσματα σε μεγάλα αντικείμενα μπορεί να βρούμε έναν τρόπο για να εξετάσουμε τα θεμέλια της κβαντικής μηχανικής," λέει το μέλος της ομάδας του Caltech Amir Safavi-Naeini.