Φυσικοί κινούνται πιο κοντά στο κβαντικό όριο

Από την ιστοσελίδα PhysicsWeb, 2 Απριλίου 2004

Ένα νέο πείραμα στις ΗΠΑ έχει φτάσει κοντά στην ανίχνευση κβαντικών φαινομένων με ένα μακροσκοπικό αντικείμενο. Ο Keith Schwab και συνάδελφοι του από την Υπηρεσία Εθνικής Ασφάλειας (NSA), που εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Μέρυλαντ, έχει μετρήσει τις δονήσεις ενός μικροσκοπικού νανοηλεκτρομηχανικού βραχίονα για να εξετάσει τα όρια στα οποία τελειώνει η κβαντική συμπεριφορά και αναλαμβάνει η κλασσική φυσική. Αν και το πείραμα δεν ήταν αρκετά ευαίσθητο για να εξετάσει την αρχή αβεβαιότητας, έχει φτάσει πιο κοντά στην επίτευξη αυτή από όλες τις άλλες προσπάθειες που έχουν γίνει μέχρι τώρα (M D LaHaye et al. 2004 Science 304 74).

Η αρχή αβεβαιότητας δηλώνει ότι δεν μπορούμε ταυτόχρονα να ξέρουμε και τη θέση και την ταχύτητα ενός σωματιδίου με πλήρη ακρίβεια. Η αρχή χρησιμοποιείται για να περιγράψει την κίνηση των σωματιδίων στο ατομικό επίπεδο, αλλά ως τώρα δεν έχει παρατηρηθεί στη συμπεριφορά των μακροσκοπικών αντικειμένων. Τέτοια συμπεριφορά περιγράφεται από την κλασσική φυσική.

Για να υπολογίσουν εάν η αρχή αβεβαιότητας επεκτείνεται ή όχι μέχρι το μακροσκοπικό κόσμο, ο Schwab και οι συνάδελφοι του μελέτησαν την κίνηση ενός παλλόμενου μηχανικού βραχίονα που κατασκευάστηκε από νιτρικό πυρίτιο. Με μήκος μόλις 8 μικρά (8x10^-6 m), ο βραχίονας είναι μεν μικροσκοπικός αλλά ακόμα μακροσκοπικός (έχοντας μάζα ισοδύναμη με 10¹² άτομα υδρογόνου).

Οι ερευνητές τοποθέτησαν το βραχίονα σε απόσταση, περίπου, 600 nm από ένα ειδικό τρανζίστορ  - που ενεργεί ως ανιχνευτής κινήσεων - και συνέδεσαν και τα δύο μαζί μέσω ενός πυκνωτή. Έπειτα εφάρμοσαν μια ηλεκτρική τάση έτσι ώστε να κάνουν το βραχίονα να δονηθεί και έψυξαν το σύστημα σε μερικά χιλιοστά του ενός Κέλβιν. Η ψύξη του συστήματος σε τέτοιες χαμηλές θερμοκρασίες μειώνει τις θερμικές δονήσεις, ενώ παραμένουν μόνο οι κβαντικές διακυμάνσεις στο σημείο μηδέν. Αυτή η κίνηση στο σημείο μηδέν οφείλεται στην αρχή αβεβαιότητας, η οποία αποτρέπει το βραχίονα από το να παραμείνει εντελώς ακίνητος.

Καθώς ο βραχίονας κινείται προς και από τον ανιχνευτή, το ρεύμα που ρέει μέσω του τρανζίστορ αλλάζει. Μετρώντας αυτό το ρεύμα, οι φυσικοί ήταν σε θέση να μετρήσουν τη μετατόπιση του βραχίονα με μια ευαισθησία που είναι μόνο 4,3 φορές μεγαλύτερη από το εύρος των κβαντικών διακυμάνσεων στο σημείο μηδέν.

Οι φυσικοί στο NSA προγραμματίζουν τώρα να αυξήσουν την ευαισθησία του ανιχνευτή και να μειώσουν έτσι ακόμα τις θερμικές δονήσεις στο βραχίονα. Ελπίζουν, επίσης, να επεκτείνουν τη μελέτη τους σε μεγαλύτερα αντικείμενα. "Αυτά τα πειράματα εξετάζουν ένα βαθύ μυστήριο στη φυσική: πού σταματάει ο κβαντικός κόσμος και που αρχίζει ο κλασσικός κόσμος;", αναφέρει ο Schwab. "Η επιτυχία στο χειρισμό της κβαντικής κατάστασης μιας μηχανικής συσκευής θα έδειχνε ότι δεν υπάρχει κανένα όριο και μας ενθαρρύνει να παρακολουθήσουμε ακόμη μεγαλύτερα αντικείμενα".

Ο Schwab λέει η ομάδα του θα ήθελε να εκμεταλλευτεί το σύστημα για υπολογιστικές κβαντικές εφαρμογές.