Rekor dunia yang menakjubkan telah ditetapkan di ETH Zurich dengan dukungan dari Tu Wien: Partikel -partikel kaca mengungkapkan sifat kuantumnya – tanpa harus dibawa ke suhu yang sangat rendah, seperti yang sebelumnya terjadi.
Apa batas fisika kuantum? Ini adalah pertanyaan yang telah diteliti di seluruh dunia selama beberapa dekade. Jika kita ingin menjawab pertanyaan ini, kita perlu memahami apakah objek yang secara signifikan lebih besar daripada atom dan molekul juga dapat menunjukkan fenomena kuantum.
Misalnya, bola kaca kecil dengan diameter seratus nanometer dapat diperiksa – masih lebih dari seribu kali lebih kecil dari sebutir pasir, tetapi besar dengan standar kuantum. Selama bertahun -tahun, upaya telah dilakukan untuk menunjukkan sejauh mana bola tersebut masih menunjukkan sifat kuantum. Sebuah kelompok penelitian di ETH Zurich, dengan dukungan teoretis dari Tu Wien (Wina), kini telah mencapai terobosan: mereka dapat menunjukkan bahwa gerakan rotasi partikel tersebut berperilaku sesuai dengan fisika kuantum, tidak hanya ketika ditempatkan di lingkungan yang sangat dingin di dekat suhu nol, tetapi bahkan ketika mereka dikelilingi oleh lingkungan pada suhu kamar.
Getaran Quanta: Hanya goyangan tertentu yang diizinkan
“Partikel mikroskopis akan selalu sedikit goyah,” kata Carlos Gonzalez-Ballestero dari Institute of Theoretical Physics di Tu Wien. “Osilasi ini tergantung pada energi dan pada bagaimana partikel dipengaruhi oleh lingkungan dan suhunya.”
Dalam kehidupan sehari -hari, kami berasumsi bahwa segala jenis osilasi dimungkinkan. Pendulum jam, misalnya, dapat diayunkan ke sudut apa pun, dan dapat diatur ke osilasi sedikit lebih kuat atau sedikit lebih lemah – seperti yang Anda suka. Namun, di dunia kuantum, hal -hal yang berbeda: jika Anda melihat osilasi dengan energi yang sangat rendah, Anda menemukan bahwa ada “kuanta osilasi” yang sangat spesifik.
Ada keadaan amplitudo getaran minimum, yang dikenal sebagai “keadaan dasar”, getaran yang sedikit lebih tinggi yang membawa sedikit lebih banyak energi (“keadaan tereksitasi pertama”), dan seterusnya. Tidak ada keadaan di antaranya, tetapi partikel dapat ada dalam kombinasi fisik kuantum dari keadaan getaran yang berbeda – ini adalah salah satu konsep sentral fisika kuantum.
“Sangat sulit untuk menempatkan nanopartikel ke dalam keadaan di mana sifat kuantumnya menjadi jelas,” kata Carlos Gonzalez-Ballestero. “Anda harus membiarkan partikel melayang dalam ruang hampa untuk mengisolasinya dari gangguan apa pun sebanyak mungkin. Dan biasanya Anda juga harus memastikan bahwa sekitarnya berada pada suhu yang sangat rendah, dekat dengan nol absolut, yang dikurangi 273,15 derajat Celcius.”
Rotasi membeku, partikel tetap panas
ETH Zurich dan Tu Wien sekarang telah mengembangkan teknik yang memungkinkan aspek nanopartikel yang sangat spesifik untuk dibawa ke dalam keadaan fisik kuantum, meskipun partikel itu sendiri dalam keadaan panas dan tidak teratur.
“Kami menggunakan nanopartikel yang tidak bulat sempurna, tetapi sedikit elips,” jelas Carlos Gonzalez-Ballestero. “Ketika Anda memegang partikel seperti itu dalam medan elektromagnetik, ia mulai berputar di sekitar orientasi keseimbangan, seperti jarum kompas. Pertanyaan kami adalah: dapatkah kami melihat sifat kuantum dari getaran rotasi ini? Dapatkah kita mengekstrak energi dari gerakan rotasi ini hingga terutama dalam keadaan tanah kuantum? '
Balok laser dan sistem cermin digunakan untuk tujuan ini. 'Laser dapat memasok energi ke nanopartikel atau mengambil energi darinya, ”jelas Carlos Gonzalez-ballestero.' Dengan menyesuaikan cermin dengan cara yang sesuai, Anda dapat memastikan bahwa energi diekstraksi dengan probabilitas tinggi dan hanya ditambahkan dengan probabilitas yang rendah. Energi gerakan rotasi dengan demikian berkurang hingga kami mendekati negara kuantum. '
Untuk mencapai hal ini, bagaimanapun, sejumlah masalah teoretis yang sulit harus diselesaikan – kebisingan kuantum laser harus dipahami dan dikendalikan dengan benar.
Kemurnian kuantum pemecahan rekor
Akhirnya, sebenarnya mungkin untuk menunjukkan bahwa rotasi dapat dibawa ke dalam keadaan yang sesuai hampir secara eksklusif dengan keadaan dasar mekanik kuantum. Hal yang menakjubkan tentang ini adalah bahwa partikel nano belum mendingin secara internal – sebaliknya, sebenarnya beberapa ratus derajat panas.
“Anda harus mempertimbangkan berbagai tingkat kebebasan secara terpisah,” jelas Carlos Gonzalez-Ballestero. “Ini memungkinkan energi gerakan rotasi berkurang dengan sangat efektif tanpa harus mengurangi energi termal internal nanopartikel pada saat yang sama. Hebatnya, rotasi dapat membeku, sehingga untuk berbicara, meskipun partikel itu sendiri memiliki suhu yang sangat tinggi.”
Hal ini memungkinkan untuk menciptakan keadaan yang secara signifikan 'lebih murni' dalam hal fisika kuantum daripada yang sebelumnya dimungkinkan dengan partikel yang sama – meskipun pendinginan tidak diperlukan. “Ini adalah cara praktis yang secara teknis menakjubkan untuk mendorong batas-batas fisika kuantum,” kata Carlos Gonzalez-Ballestero. “Kami sekarang dapat mempelajari sifat kuantum objek yang berputar dengan cara yang stabil dan andal, yang sebelumnya hampir tidak mungkin.”
Publikasi asli
Denmark, L., Kremer, OS, Piotrowski, J. et al. Optomekanik kuantum kemurnian tinggi pada suhu kamar. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02976-9
