Bahkan objek besar dengan beberapa ratus juta atom dapat menunjukkan perilaku mekanik kuantum – tanpa pendinginan dan pada suhu kamar, seperti yang ditunjukkan oleh para peneliti di ETH Zurich. Ini menghasilkan potensi yang menarik untuk teknologi baru.
Tiga bidang kaca nano saling berpegang teguh. Mereka membentuk cluster seperti menara, mirip dengan ketika Anda menumpuk tiga sendok es krim di atas satu sama lain – hanya jauh lebih kecil. Diameter cluster nano sepuluh kali lebih kecil dari rambut manusia. Dengan bantuan perangkat optik dan balok laser, para peneliti di ETH Zurich telah berhasil menjaga objek -objek tersebut hampir sepenuhnya tidak bergerak dalam levitasi. Ini penting dalam hal pengembangan sensor kuantum di masa depan, yang, bersama dengan komputer kuantum, merupakan aplikasi penelitian kuantum yang paling menjanjikan.
Sebagai bagian dari eksperimen levitasi mereka, para peneliti, yang dipimpin oleh profesor photonics Martin Frimmer, mampu menghilangkan gaya gravitasi yang bekerja pada bola kaca. Namun, objek nano memanjang masih gemetar, mirip dengan bagaimana jarum pada kompas bergerak saat menetap di posisi. Dalam kasus gugus nano, gerakan gemetar sangat cepat tetapi lemah: objek menghasilkan sekitar satu juta defleksi per detik, masing -masing hanya berukuran beberapa seribu derajat. Osilasi rotasi kecil ini adalah gerakan kuantum mendasar yang ditunjukkan oleh semua objek dan fisikawan yang disebut fluktuasi nol-titik. “Menurut prinsip -prinsip mekanika kuantum, tidak ada objek yang bisa tetap diam,” jelas Lorenzo Dania, postdoc dalam kelompok Frimmer dan penulis pertama penelitian. “Semakin besar suatu objek, semakin kecil fluktuasi titik nol ini dan semakin sulit untuk mengamatinya.”
Beberapa catatan
Sampai saat ini, tidak ada yang berhasil mendeteksi gerakan -gerakan kecil ini untuk objek sebesar ini setepat yang dilakukan para peneliti sekarang. Mereka mencapai ini karena mereka mampu menghilangkan semua gerakan yang berasal dari bidang fisika klasik dan mengaburkan pengamatan gerakan kuantum. Para peneliti mengaitkan 92 persen dari gerakan cluster dalam percobaan mereka dengan fisika kuantum dan 8 persen dengan fisika klasik; Karena itu mereka merujuk pada tingkat kemurnian kuantum yang tinggi. “Sebelumnya, kami tidak berharap untuk mencapai tingkat kemurnian kuantum yang tinggi,” jelas Dania.
Dan catatan tidak berhenti di situ: para peneliti menyelesaikan semua ini pada suhu kamar. Peneliti kuantum biasanya harus mendinginkan objek mereka hingga suhu yang dekat dengan nol absolut (-273 derajat Celcius) menggunakan peralatan khusus. Ini tidak diperlukan di sini. Frimmer menarik analogi: “Sepertinya kami telah membangun kendaraan baru yang mengangkut lebih banyak kargo daripada truk tradisional dan pada saat yang sama mengkonsumsi lebih sedikit bahan bakar.”
Mungil dan sangat besar pada saat bersamaan
Sementara banyak peneliti menyelidiki efek kuantum pada kelompok atom individu atau kecil, Frimmer dan kelompoknya adalah di antara mereka yang bekerja dengan benda yang relatif besar. Cluster nanosfer mereka mungkin kecil dalam istilah sehari -hari, tetapi terdiri dari beberapa ratus juta atom, membuatnya sangat besar dari perspektif fisikawan kuantum. Minat pada objek ukuran ini sebagian didorong oleh harapan untuk aplikasi teknologi kuantum di masa depan, misalnya. Aplikasi tersebut membutuhkan sistem yang lebih besar untuk dikendalikan menggunakan prinsip -prinsip mekanika kuantum.
Para peneliti dapat melayang partikel nano mereka menggunakan apa yang dikenal sebagai penjepit optik. Dalam proses ini, partikel ditempatkan dalam ruang hampa dalam wadah transparan. Lensa digunakan untuk memfokuskan lampu laser terpolarisasi pada titik di dalam wadah ini. Pada titik fokus ini, partikel selaras dengan medan listrik laser terpolarisasi dan dengan demikian tetap stabil.
“Awal yang sempurna”
“Apa yang telah kami capai adalah awal yang sempurna untuk penelitian lebih lanjut bahwa suatu hari dapat dimasukkan ke dalam aplikasi,” kata Frimmer. Untuk aplikasi seperti itu, Anda pertama -tama memerlukan sistem dengan kemurnian kuantum tinggi di mana gangguan semua eksternal dapat berhasil ditekan dan gerakan dikendalikan dengan cara yang diinginkan, ia menyatakan, menambahkan bahwa ini sekarang telah tercapai. Maka mungkin untuk mendeteksi efek mekanik kuantum, untuk mengukur ini dan menggunakan sistem untuk aplikasi teknologi kuantum.
Aplikasi yang mungkin termasuk penelitian dasar dalam fisika untuk merancang eksperimen untuk menyelidiki hubungan antara gravitasi dan mekanika kuantum. Pengembangan sensor untuk mengukur kekuatan kecil seperti molekul gas atau bahkan partikel elementer yang bekerja pada sensor juga dapat dibayangkan. Ini akan berguna dalam pencarian materi gelap. “Kami sekarang memiliki sistem yang relatif sederhana, hemat biaya dan cocok untuk tujuan ini,” kata Frimmer.
Aplikasi dalam Navigasi dan Kedokteran
Di masa depan yang jauh, sensor kuantum juga dapat digunakan dalam pencitraan medis. Diharapkan bahwa mereka akan dapat mendeteksi sinyal yang lemah di lingkungan di mana perangkat pengukuran sebaliknya mengambil kebisingan latar belakang. Aplikasi potensial lainnya dapat berupa sensor gerak yang dapat memfasilitasi navigasi kendaraan bahkan ketika tidak ada kontak dengan satelit GPS.
Untuk sebagian besar aplikasi ini, sistem kuantum perlu miniatur. Menurut para peneliti, ini mungkin pada prinsipnya. Bagaimanapun, mereka telah menemukan cara untuk mencapai keadaan kuantum yang dapat dikendalikan yang diinginkan tanpa memakan waktu, pendinginan yang mahal dan intensif energi.
Para peneliti melakukan pekerjaan ini bersama dengan rekan -rekan dari Universitas Teknologi Wina, Universitas Manchester dan Institut de Ciències fotòniques di Barcelona.
Referensi
Dania L, Schmitt Kremer O, Piotrowski J, Candoli D, Vijayan J, Romero-Isart O, Gonzales-Ballestero C, Novotny L, Frimmer M: High-purity quantum optomechanics at room temperature, Nature Physics 2025, doi: 10.1038/s41567-025-02976-9
