The Nobel Prize in Chemistry 2019
Isi kandungan:
Orang mungkin berfikir bahawa penjepit optik - pancaran laser fokus yang boleh menjerat zarah kecil - adalah topi lama sekarang. Lagipun, penyepit itu dicipta oleh Arthur Ashkin pada tahun 1970. Dan dia menerima Hadiah Nobel untuk tahun ini - mungkin selepas implikasi utamanya telah direalisasikan pada abad ke-6 yang lalu.
Luar biasa, ini jauh dari benar. Pengikatan optikal mengungkapkan keupayaan baru sambil membantu para saintis memahami mekanik kuantum, teori yang menerangkan sifat dari segi zarah subatomik.
Teori ini telah membawa kepada beberapa kesimpulan yang aneh dan tegas. Salah satu daripada mereka ialah mekanik kuantum membolehkan objek tunggal wujud dalam dua keadaan realiti yang berbeza pada masa yang sama. Sebagai contoh, fizik kuantum membolehkan badan berada di dua lokasi yang berbeza di ruang secara serentak - atau kedua-duanya mati dan hidup, seperti dalam percubaan pemikiran yang terkenal dari kucing Schrödinger.
Nama teknikal untuk fenomena ini adalah tindihan. Superposisi telah diperhatikan untuk objek kecil seperti atom tunggal. Tetapi dengan jelas, kita tidak pernah melihat superposisi dalam kehidupan seharian kita. Sebagai contoh, kita tidak melihat secawan kopi di dua lokasi pada masa yang sama.
Untuk menerangkan pemerhatian ini, ahli fizik teori telah mencadangkan bahawa untuk objek besar - walaupun untuk nanopartikel mengandungi kira-kira satu bilion atom -superposisi runtuh dengan cepat kepada satu atau yang lain dari kedua-dua kemungkinan, disebabkan oleh pecahan mekanik kuantum standard. Untuk objek yang lebih besar kadar keruntuhan lebih cepat. Untuk kucing Schrodinger, keruntuhan ini - untuk "hidup" atau "mati" - akan menjadi hampir seketika, menjelaskan mengapa kita tidak pernah melihat superposisi kucing berada di dua negeri sekaligus.
Sehingga baru-baru ini, "teori runtuh" ini, yang memerlukan pengubahsuaian mekanik kuantum buku teks, tidak boleh diuji, kerana sukar untuk menyediakan objek besar dalam tindihan. Ini kerana objek yang lebih besar berinteraksi lebih banyak dengan persekitarannya daripada atom atau zarah subatomik - yang menyebabkan kebocoran panas yang memusnahkan keadaan kuantum.
Sebagai ahli fizik, kita berminat untuk meruntuhkan teori kerana kita ingin memahami fizik kuantum lebih baik, dan khususnya kerana ada petunjuk teoritis bahawa keruntuhan itu mungkin disebabkan oleh kesan graviti. Hubungan antara fizik kuantum dan graviti akan menjadi menarik kerana semua fizik bergantung pada dua teori ini, dan penerangan bersatu mereka - yang dipanggil Teori Segala sesuatu - adalah salah satu matlamat utama sains moden.
Masukkan Tweezer Optik
Pinset optik mengeksploitasi fakta bahawa cahaya boleh memberi tekanan pada perkara. Walaupun tekanan radiasi dari pancaran laser yang kuat agak kecil, Ashkin adalah orang pertama yang menunjukkan bahawa ia cukup besar untuk menyokong nanopartikel, menentang graviti, dengan berkesan melepaskannya.
Pada tahun 2010 sekumpulan penyelidik menyedari bahawa nanopartikel seperti yang dipegang oleh penjepit optik adalah terpencil dari persekitarannya kerana ia tidak bersentuhan dengan apa-apa sokongan material. Berikutan idea ini, beberapa kumpulan mencadangkan cara untuk mencipta dan memerhatikan superposisi nanopartikel di dua lokasi spatial yang berbeza.
Skim yang menarik yang dicadangkan oleh kumpulan Tongcang Li dan Lu Ming Duan pada 2013 melibatkan kristal nanodiamond dalam penjepit. Nanoparticle tidak duduk masih dalam penjepit. Sebaliknya, ia berayun seperti pendulum di antara dua lokasi, dengan daya pemulihan yang datang dari tekanan radiasi kerana laser. Selain itu, nanocrystal berlian ini mengandungi atom nitrogen yang tercemar, yang boleh dianggap sebagai magnet kecil, dengan tiang utara (N) dan tiang selatan (S).
Strategi Li-Duan terdiri daripada tiga langkah. Pertama, mereka mencadangkan penyejukan gerakan nanopartikel ke keadaan dasar kuantumnya. Ini adalah keadaan tenaga terendah yang boleh dimiliki zarah jenis ini. Kita mungkin menjangkakan bahawa dalam keadaan ini zarah berhenti bergerak dan tidak berayun sama sekali. Walau bagaimanapun, jika itu berlaku, kita akan tahu di mana zarah itu (di tengah penjepit), serta bagaimana ia pantas bergerak (tidak sama sekali). Tetapi pengetahuan sempurna pada kedua-dua kedudukan dan kelajuan tidak dibenarkan oleh prinsip ketidakpastian Heisenberg terkenal fizik kuantum. Oleh itu, walaupun dalam keadaan tenaga terendah, zarah bergerak sedikit demi sedikit, cukup untuk memenuhi undang-undang mekanik kuantum.
Kedua, skim Li dan Duan memerlukan atom nitrogen magnet untuk disediakan dalam superposisi tiang utara yang menunjuk ke bawah dan ke bawah.
Akhirnya, medan magnet diperlukan untuk menghubungkan atom nitrogen dengan gerakan kristal berlian yang terikat. Ini akan memindahkan superposisi magnet bagi atom ke superposisi lokasi nanocrystal. Pemindahan ini didayakan oleh hakikat bahawa atom dan nanopartikel terikat oleh medan magnet. Ia berlaku dengan cara yang sama bahawa superposisi sampel radioaktif yang rosak dan tidak rosak ditukar kepada superposisi kucing Schrodinger dalam keadaan mati dan hidup.
Membuktikan Teori Runtuh
Apa yang memberi gigi kerja teori ini adalah dua perkembangan percubaan yang menarik. Sudah pada tahun 2012 kumpulan Lukas Novotny dan Romain Quidant menunjukkan bahawa ia adalah mungkin untuk menyejukkan nanopartikel optik levitated ke seratus darjah di atas sifar mutlak - suhu terendah secara teoritis mungkin - dengan memodulasi intensiti penjepit optik. Kesannya adalah sama seperti melambatkan anak pada ayunan dengan menolak pada masa yang tepat.
Pada tahun 2016 para penyelidik yang sama dapat menyejukkan ke tahap sepuluh-ribu darjah di atas sifar mutlak. Pada masa ini kumpulan kami menerbitkan sebuah kertas yang menegaskan bahawa suhu yang diperlukan untuk mencapai keadaan asas kuantum nanoparticle tweezed adalah sekitar sejuta darjah di atas sifar mutlak. Keperluan ini mencabar, tetapi dalam jangkauan eksperimen yang berterusan.
Pembangunan yang menarik kedua adalah levitation eksperimen nanodiamond nitrogen-yang membawa pada 2014 di kumpulan Nick Vamivakas. Menggunakan medan magnet, mereka juga dapat mencapai gandingan fizikal atom nitrogen dan gerakan kristal yang diperlukan oleh langkah ketiga skim Li-Duan.
Perlumbaan kini untuk mencapai keadaan dasar supaya - mengikut pelan Li-Duan - satu objek di dua lokasi boleh diperhatikan runtuh ke satu entiti tunggal. Jika superposisi dimusnahkan pada kadar yang diramalkan oleh teori-teori runtuh, mekanik kuantum seperti yang kita tahu ia perlu disemak semula.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan pada Perbualan oleh Mishkat Bhattacharya dan Nick Vamivakas. Baca artikel asal di sini.
'Prospek': Bagaimana Sci-Fi Belanjawan Rendah Membuat Alam Semesta Kotor Dengan "Poop Tabung"
Bintang bintang Sophie Thatcher, Jay Duplass, dan Bintang Pedro Pascal dalam 'Prospect', sebuah filem sci-fi baru dari label DAP Gunpowder & Sky, yang membayangkan dunia barat yang berwarna kotor dan biru. Pengarah-pengarah Zeek Earl dan Chris Caldwell menamatkan semula filem pendek pada tahun 2014 dengan nama yang sama.
Kajian: Peralatan Batu Ditemui Mendedahkan Petunjuk Baharu kepada Sejarah Cina Kuno
Salah satu inovasi teknologi yang paling mendalam dalam evolusi manusia ialah alat batu kuno. Dalam kajian baru dari 'Alam', ahli arkeologi mendapati sekeping bukti dari artifak Cina yang mengubah cara kita berfikir tentang asal dan penyebaran teknologi alat batu baru.
Pengalaman Masa Anda Boleh Ke belakang dari Semesta Alam Semesta
Aliran masa dalam satu arah sangat intuitif, jadi tidak berubah, bahawa kita menganggapnya begitu sahaja. Perkara tidak jatuh; kepingan yang pecah tidak dipasang semula; manusia semakin tua, jadi ia pergi. Walau bagaimanapun masa masih menjadi misteri. Persamaan fizik nampaknya tidak mempunyai keutamaan untuk arah masa - seperti palindrom, mereka ...