物理学家在目前最大的 宏观"对象" 上到达难以捉摸的量子基态

科技
6阅读

很少有东西完全静止。宇宙中的所有正常物质都是由嗡嗡作响的粒子组成,它们各自为政并以自己的频率振动。

如果我们能让它们尽可能地减速,物质就会进入所谓的运动基态。在这种状态下,物理学家可以进行量子力学和量子引力的测试,探索经典物理学的边界,寻找将两者统一的方法。

以前,这是在纳米级进行的。但现在,这是第一次在一个巨大的“物体”上完成——LIGO 引力波干涉仪的四个镜子的集体运动,被称为光机械振荡器,有效质量为 10 公斤(22 磅)。

这项工作代表了一种探索量子领域的新方法。

“没有人观察到引力如何作用于大量量子态。”麻省理工学院的机械工程师维维舍克·苏迪尔( Vivishek Sudhir) 说,“我们已经展示了如何在量子状态下制备千克级物体。这最终为引力如何影响大型量子物体的实验研究打开了大门,这是迄今为止科学家们梦寐以求的。”

实现原子云的量子基态并不容易。您需要通过施加恰到好处的力来阻止其振动来冷却原子。如果你没有给它足够的冷却,它只会变慢;所以你需要知道原子振动的确切能量水平和方向,以便施加适当的力来阻止它。

这被称为“反馈冷却”,在纳米尺度上它更简单,因为它更容易隔离较小的原子组并将干扰降至最低。然而,物体尺度越大,就越难处理这种干扰。

LIGO 是测量精细运动的最精确仪器之一。它旨在检测由数十亿光年外的大质量物体之间的碰撞产生的时空微小波纹。

它由一个 L 形真空室组成,激光沿着它的两个 4 公里(2.5 英里)隧道发射,然后被发送到分束器上的四个镜子,每个隧道的两端各一个。当时空波动时,镜子会扭曲光线,产生一种干涉图案,科学家可以通过解码来确定原因。它非常敏感,可以检测到质子宽度的万分之一或 10^-19 米的变化。

LIGO 的四个 40 公斤镜子中的每一个都是悬挂的,它们的集体运动构成了振荡器。镜子的平衡有效地将 160 公斤的总重量减少到仅 10 公斤的单个物体。

“LIGO 旨在测量四个 40 公斤镜子的联合运动,”苏迪尔说,“事实证明,你可以用数学方法绘制这些质量的联合运动,并将它们视为单个 10 公斤物体的运动。”

通过精确测量该振荡器的运动,该团队希望精确计算出诱导运动基态所需的反馈冷却速率……然后,显然,应用它。

不幸的是,测量的行为本身就给方程带来了一定程度的随机性,使得很难预测从镜子原子中消耗能量所需的助推类型。

为了纠正这一点,该团队巧妙地研究了每个光子以估计先前碰撞的活动,不断构建更准确的试验路线图,说明如何施加正确的力并实现冷却。

然后,他们使用连接到镜子背面的电磁铁施加计算出的力。有效。振荡器几乎完全停止移动。它的剩余能量相当于 77 纳开尔文(-273.15 摄氏度,或 -459.67 华氏度)的温度。

它的运动基态 10 纳开尔文非常接近,尤其是考虑到室温起点。并且 77 纳开尔文也非常接近纳米尺度上运动基态研究中使用的温度。

此外,它为一些令人兴奋的可能性打开了大门。量子现象的宏观演示和测量 —— 甚至可能用于相同的应用。

但量子引力是最大的推动力。千克质量的物体更容易受到引力的影响;该团队的工作带来了利用这种质量机制研究量子领域的希望。

麻省理工学院和 LIGO 合作项目的物理学家克里斯·惠特尔 (Chris Whittle) 说:“准备处于基态的东西通常是将其置于令人兴奋或奇异的量子态的第一步。

“所以这项工作令人兴奋,因为它可能让我们以前所未有的大规模研究其他一些状态。”

该研究已发表在《科学》杂志上。

来源:科技领航人

the end
免责声明:本文不代表本站的观点和立场,如有侵权请联系本站删除!本站仅提供信息存储空间服务。

精选推荐

随机推荐