Nobela prēmija fizikā kvantu slazdu izgudrotājiem

Balvu ieguvēji pirmo reizi ir padarījuši izmērāmās un manipulējamās mazākās daļiņas

Atomi un fotoni arī ievēro savus likumus kvantu pasaulē. © Forschungszentrum Jülich
lasīt skaļi

Šī gada Nobela prēmija fizikā tiek piešķirta diviem kvantu fizikiem, kuri pirmo reizi ir padarījuši izmērāmus un manipulējamus ar kvantām - mazākajām matērijas daļiņām. Francūzis Serge Haroche un amerikānis Deivids Vīlands izstrādāja īpašus slazdus, ​​kuros atsevišķus gaismas atomus un gaismas daļiņas var notvert, manipulēt un izmērīt. Iepriekš tas tika uzskatīts par neiespējamu.

Kvantu, atomu un gaismas daļiņu pasaulē ir savi likumi. Piemēram, daļiņa nekādā gadījumā ne vienmēr un visur ir daļiņa, bet var uzvesties kā vilnis. Un otrādi, gaismas un citi viļņi var reaģēt arī kā daļiņas. Bet ne tikai objekta būtība kvantu pasaulē ir neviennozīmīga, tā arī atsakās būt uzticēta vietai. Šis tā sauktais "izplūšana", ko 1920. gadā atklāja fiziķis Verners Heisenbergs, nozīmē, ka kvantu konkrēto atrašanās vietu var novērtēt tikai kā varbūtību. Ārkārtējā gadījumā daļai var būt vienlīdz liela varbūtība atrasties divās vietās - tās divi iespējamie stāvokļi ir uzlikti, kā saka kvantu fiziķi.

No šī pārklājuma izriet arī visu kvantu fizikālo eksperimentu lielā dilemma: katrs mērījums kvantu pasaulē iznīcina daļiņas superpozīcijas stāvokli un maina tā īpašības - salīdzināms ar rokas nospiedumu mitrā mālā, kas izkropļo sākotnējo formu. Tāpēc jau sen tiek uzskatīts par neiespējamu izmērīt atomu vai gaismas daļiņu - fotonu kvantu fizikālās īpašības. Sergam Haroche un Deividam Vinelandam tomēr izdevās patstāvīgi uzbūvēt slazdus slazdošanai un kvantācijas izpētei to superpozīcijas stāvoklī.

Kā darbojas Vīnlandes jonu slazds: berilija jonus ieslodzī elektrodi, kurus rada elektrodi, un ar lāzera gaismu tos manipulē © Nobela fonds

Vibrējošas daļiņas elektriskā apvalkā

Savā slazdā Deivids Vīnslands un viņa kolēģi Kolorādo universitātē Boulderā sākotnēji sāka no idejas, ka uzlādētās daļiņas varētu uztvert elektriskie lauki. Piemēram, tā kā vieni un tie paši lādiņi atgrūž viens otru - piemēram, kā magnēts -, pozitīva elektriskā barjera neļauj pozitīvajai daļiņai iziet cauri tām. Pētnieki šādā veidā lamatā noķēra berilija jonus. Šādā gadījumā, lai izslēgtu traucējumus, dominē vakuums.

Ieslodzītā daļiņa tomēr nestāv uz vietas, bet vibrē ātrāk vai lēnāk atkarībā no enerģijas satura. Šo vibrāciju ātrums nemainās vienmērīgi. Tā vietā, atkarībā no enerģijas satura, daļiņa pāriet dažādos posmos. Vīnlandes slazdā tagad tiek izmantoti lāzera stari, lai atomam pievienotu pietiekami daudz enerģijas, lai atrastos starp diviem šādiem posmiem. Tas rada pārklājumu, jo abi posmi tagad ir vienlīdz ticami. Var izmērīt lāzera piegādāto enerģiju un atoma vibrācijas - un tādējādi arī notvertās daļiņas fiziskās īpašības kvantu izteiksmē. Šī slazda princips mūsdienās tiek izmantots, piemēram, ārkārtīgi precīzu atomu pulksteņu konstruēšanai, kuros ieslodzītā jonu vibrācijas kalpo kā taimeris. displejs

Haroche fotonu slazda princips: supravadošie niobija spoguļi uztver mikroviļņu fotonu aptuveni sekundes desmitdaļā. Šajā laikā caur dobumu tiek nosūtīts Rydberga atoms. Ja izejas laikā tā stāvoklis ir mainījies, var nolasīt, vai fotons bija vai nebija slazdā. Nobela fonds

Fotons starp diviem spoguļiem

Serges Haroche un viņa komanda no Parīzes Coll gege un Ecole Normale Sup rieure Parīzē izvēlējās atšķirīgu pieeju. Lāzera gaismas un elektriskā lauka vietā kā slazdu viņi izmantoja sīkus spoguļus, kas izgatavoti no supravadoša materiāla. Temperatūrā, kas nedaudz pārsniedz absolūto nulli, šie spoguļi tik spēcīgi atspoguļojas, ka mikroviļņu fotons tiek izmests uz priekšu un atpakaļ sekundes desmitdaļas garumā ar pārtraukuma ātrumu. Fotons aptver vismaz 40 000 kilometrus - vienreiz pa visu zemi.

Kad fotons lec un robežojas slazdā, Haroche un viņa kolēģi liek atsevišķiem atomiem šķērsot daļiņas ceļu. Šie tā saucamie Ridberga atomi ir apmēram tūkstoš reižu lielāki nekā parastie atomi un atgādina mazus gredzenus vai virtuļus. Ja šāda virtulis šķērso slazdu, tas mijiedarbojas ar fotonu - mainās tā kvantu stāvoklis. Izejot no slazda, pētnieki var izmērīt šīs izmaiņas, lai noteiktu, vai slazdā atrodas fotons. Tādā veidā viņiem vispirms izdevās noturēt un izmērīt slazdā vienu fotonu, to neiznīcinot.

"Nobela prēmijas laureāti ir pavēruši ceļu uz jaunu kvantu fizikas eksperimentu laikmetu, " raksta Nobela komiteja savā paziņojumā. Viņu metodes tagad ļauj noķert, izmeklēt un manipulēt ar atsevišķām daļiņām.

Vairāk par Nobela prēmijām 2012 vietnē scinexx

(Nobela fonds, 09.10.2012. - NPO)