Vědci dosáhli světového prvenství: Ochladili nanorotor do kvantového základního stavu rotace a otevírají cestu novým technologiím

Tým evropských vědců z Vídeňské univerzity, TU Wien a Ulmské univerzity dosáhl globálního prvenství, když se jim podařilo zachytit křemíkový nanorotor v jeho kvantovém základním stavu.

Tým evropských vědců z Vídeňské univerzity, TU Wien a Ulmské univerzity dosáhl globálního prvenství, když se jim podařilo zachytit křemíkový nanorotor v jeho kvantovém základním stavu. Pomocí intenzivního světla omezili orientaci nanočástice do hranic kvantových fluktuací nulového bodu, což představuje významný milník směrem k rotační interferometrii hmoty a kvantovému snímání točivého momentu.

V našem každodenním světě se částice neustále chvějí a rotují v důsledku své tepelné energie. S rostoucí teplotou se tento pohyb zvyšuje; s ochlazováním se snižuje. Podle klasické fyziky lze pohyb těchto částic zcela zastavit jejich ochlazením, ale kvantová mechanika tvrdí opak. Podle ní si i při absolutní nule částice zachovávají určitou energii a zůstávají dezorientované – to je jejich kvantový základní stav. Když jsou částice ochlazeny na teploty blízké absolutní nule, jejich energie se nemění plynule, ale v kvantovaných energetických krocích, které souvisejí s jejich kvantovým základním stavem.

Vědci z Vídeňské univerzity již dříve ochladili levitující nanočástice do jejich kvantového základního stavu, avšak šlo o lineární pohyb. Ochlazení rotačního pohybu se ukázalo jako náročné a dosud bylo dosaženo pouze v jedné dimenzi výzkumníky z ETH Curych. V nové sérii experimentů tým zachytil nano-činkový rotor pomocí elektrického pole laseru. Zpočátku zachycený rotor vykazoval tepelné úhlové oscilace, takže se vědci obrátili k optickému chlazení, aby dosáhli teplot blízkých absolutní nule.

K tomu vědci využili koherentního rozptylu, kdy byly nanočástice zachyceny v intenzitě světla 100 MW/cm² a rozptylovaly ho do optického rezonátoru. Během tohoto procesu jeden foton odnáší jedno kvantum mechanické energie z rotace částice do optického rezonátoru, čímž ochlazuje nanorotorovou částici. Provedením tohoto postupu ve dvou osách se jedná o první studii, která dosáhla kvantově omezeného zarovnání orientace rotoru, kde je jeho směr nejistý pouze v rozmezí 20 mikroradiánů. „Špička rotoru se pak pohybuje méně než setinu průměru jediného atomu,“ vysvětlil Stephan Troyer, výzkumník zapojený do projektu. „Je to jako kompasová jehla orientovaná s přesností lepší než šířka bakterie.“

Tato série experimentů není jen laboratorním úspěchem; otevírá také dveře nové generaci kvantových technologií. Po každém otočení se rotor ocitne ve stejné orientaci. Tyto kvantové efekty nemají analogii v lineárním pohybu. Například, když je zachycující světlo vypnuto, nanorotor se může otáčet všemi směry najednou, podobně jako superpozice orientací. Tyto rotující částice proto nabízejí nové poznatky a možnosti pro budoucí experimenty, které by mohly vést k nové generaci kvantových technologií. „Krása naší 2D chladicí metody spočívá v tom, že funguje napříč měřítky,“ dodal Troyer. „Chlazení je snazší pro větší tělesa, ale aplikací našich technik na menší struktury doufáme, že budeme schopni pozorovat tuto rotační kvantovou interferenci. Jedná se o zajímavý systém pro zkoumání rozhraní mezi kvantovou fyzikou a jevy našeho každodenního života.“ Chladný nanorotor je také citlivý na malé točivé momenty, což ho činí ideálním pro kvantové snímání točivého momentu, což je další rozvíjející se oblast kvantových technologií. Výsledky výzkumu byly publikovány v časopise Nature Physics.