اطلاع‌رسانی:
دانشمندان نانوذرات را به نوسان در می‌آورند تا محدودیت‌های کوانتومی را رفع کنند
این سوال که مرز بین فیزیک کلاسیک و کوانتوم در کجا قرار دارد، یکی از طولانی‌ترین پیگیری‌های تحقیقات علمی مدرن است، و در تحقیقات جدیدی که امروز منتشر شده است، دانشمندان پلتفرم جدیدی را نشان می‌دهند که می‌تواند به ما در یافتن پاسخ کمک کند.
قوانین فیزیک کوانتومی رفتار ذرات را در مقیاس‌های کوچک کنترل می‌کند، که منجر به پدیده‌هایی مانند درهم تنیدگی کوانتومی می‌شود، جایی‌که خواص ذرات درهم تنیده به شکلی جدایی ناپذیر به هم مرتبط می‌شوند که توسط فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیست. تحقیق در فیزیک کوانتومی به ما کمک می‌کند تا شکاف‌های دانش فیزیک را پر کنیم و می‌تواند تصویر کامل‌تری از واقعیت به ما بدهد، اما مقیاس‌های کوچکی که سیستم‌های کوانتومی در آن کار می‌کنند می‌تواند مشاهده و مطالعه آنها را دشوار کند. در طول قرن گذشته، فیزیکدانان با موفقیت پدیده‌های کوانتومی را در اجسام بزرگتر مشاهده کرده‌اند، از ذرات زیر اتمی مانند الکترون‌ها تا مولکول‌هایی که حاوی هزاران اتم هستند. اخیراً، رشته اپتومکانیک معلق، که با کنترل اجسام در مقیاس میکرونی با جرم بالا در خلاء سروکار دارد، با آزمایش اعتبار پدیده‌های کوانتومی در اجسامی که چندین مرتبه از اتم‌ها سنگین‌تر هستند، تلاش می‌کند تا پوشش را بیشتر کند. با این حال، با افزایش جرم و اندازه یک جسم، فعل و انفعالاتی که منجر به ویژگی‌های کوانتومی ظریفی مانند درهم تنیدگی می‌شود، در محیط گم می‌شوند و نتیجه رفتار کلاسیکی‌ای می‌شود که مشاهده می‌کنیم.
اما اکنون، این تیم به سرپرستی دکتر جایدف ویجایان، رئیس آزمایشگاه مهندسی کوانتوم در دانشگاه منچستر، با دانشمندانی از ETH زوریخ و نظریه‌پردازانی از دانشگاه اینسبروک، رویکرد جدیدی را برای غلبه بر این مشکل ایجاد کرده‌اند. آزمایشی که در ETH زوریخ انجام شد و در مجله Nature Physics منتشر شد. دکتر ویجایان می‌گوید: «برای مشاهده پدیده‌های کوانتومی در مقیاس‌های بزرگتر و روشن کردن انتقال کلاسیک به کوانتومی، ویژگی‌های کوانتومی باید در حضور نویز از محیط حفظ شوند. همانطور که می‌توانید تصور کنید، دو راه برای انجام این کار وجود دارد. یکی برای سرکوب نویز و دوم تقویت ویژگی‌های کوانتومی است. تحقیق ما راهی برای مقابله با چالش با اتخاذ رویکرد دوم نشان می‌دهد. ما نشان می‌دهیم که فعل و انفعالات مورد نیاز برای درهم‌تنیدگی بین دو ذره شیشه‌ای با اندازه ۰.۱ میکرون به دام افتاده را می‌توان با چندین مرتبه بزرگی برای غلبه بر نویزهای محیطی تقویت کرد.» دانشمندان این ذرات را بین دو آینه بسیار بازتابنده قرار دادند که یک کاواک نوری را تشکیل می‌دهند. به این ترتیب، فوتون‌های پراکنده شده توسط هر ذره، چندین هزار بار بین آینه‌ها پیش از خروج از کاواک جهش می‌کنند و به احتمال بالاتر منجر به برهمکنش با ذره دیگر می‌شود.
یوهانس پیوتروسکی، یکی از رهبران این مقاله از ETH زوریخ افزود: «از آنجا که برهمکنش‌های نوری توسط کاواک انجام می‌شود، قدرت آن با فاصله کاهش نمی‌یابد، به این معنی که می‌توانیم ذرات در مقیاس میکرونی را در چند میلی‌متر جفت کنیم.» محققان همچنین توانایی قابل توجهی را در تنظیم دقیق یا کنترل قدرت برهمکنش با تغییر فرکانس لیزر و موقعیت ذرات درون کاواک نشان می‌دهند. این یافته‌ها نشان دهنده جهشی قابل توجه به سمت درک فیزیک بنیادی است، اما همچنین نویدبخش کاربردهای عملی است، به ویژه در فناوری حسگرها که می‌تواند برای نظارت بر محیط زیست و ناوبری آفلاین استفاده شود.
اکنون، تیم محققان قابلیت‌های جدید را با تکنیک‌های خنک‌کننده کوانتومی تثبیت‌شده ترکیب می‌کنند تا گامی در جهت تایید درهم تنیدگی کوانتومی بردارند. در صورت موفقیت آمیز بودن، دستیابی به درهم تنیدگی نانو ذرات معلق و ریز می‌تواند شکاف بین دنیای کوانتومی و مکانیک کلاسیک روزمره را کاهش دهد.
Cavity-mediated long-range interactions in levitated optomechanics, Nature Physics 2024
