Nobelpreis Optische Pinzette enthüllt neue Hinweise auf die Funktionsweise des Universums

Man könnte meinen, dass die optische Pinzette - ein fokussierter Laserstrahl, der kleine Partikel einfangen kann - mittlerweile ein alter Hut ist. Schließlich wurde die Pinzette 1970 von Arthur Ashkin erfunden. In diesem Jahr erhielt er dafür den Nobelpreis - vermutlich nachdem ihre Hauptauswirkungen im letzten halben Jahrhundert verwirklicht worden waren.

Erstaunlicherweise ist dies alles andere als wahr. Die optische Pinzette zeigt neue Möglichkeiten auf und hilft Wissenschaftlern dabei, die Quantenmechanik zu verstehen, die Theorie, die die Natur in Form subatomarer Teilchen erklärt.

Diese Theorie hat zu einigen seltsamen und kontroversen Schlussfolgerungen geführt. Eine davon ist, dass die Quantenmechanik es ermöglicht, dass ein Objekt gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen der Realität existiert. Beispielsweise erlaubt die Quantenphysik einem Körper, sich gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten im Raum zu befinden - oder tot und lebendig, wie im berühmten Gedankenexperiment von Schrödingers Katze.

Der technische Name für dieses Phänomen ist Überlagerung. Für winzige Objekte wie einzelne Atome wurden Überlagerungen beobachtet. Natürlich sehen wir niemals eine Überlagerung in unserem Alltag. Zum Beispiel sehen wir an zwei Orten nicht gleichzeitig eine Tasse Kaffee.

Um diese Beobachtung zu erklären, haben theoretische Physiker vorgeschlagen, dass Superpositionen für große Objekte - selbst für Nanopartikel mit etwa einer Milliarde Atomen - aufgrund eines Zusammenbruchs der Standard-Quantenmechanik schnell auf die eine oder andere der beiden Möglichkeiten fallen. Bei größeren Objekten ist die Einsturzrate schneller. Für Schrödingers Katze wäre dieser Zusammenbruch - "lebend" oder "tot" - praktisch augenblicklich und würde erklären, warum wir niemals die Überlagerung einer Katze in zwei Zuständen gleichzeitig sehen.

Bis vor kurzem konnten diese "Kollaps-Theorien", die Änderungen an der Lehrbuch-Quantenmechanik erfordern würden, nicht getestet werden, da es schwierig ist, ein großes Objekt in einer Überlagerung herzustellen. Dies liegt daran, dass größere Objekte stärker mit ihrer Umgebung interagieren als Atome oder subatomare Teilchen. Dies führt zu Wärmelecks, die Quantenzustände zerstören.

Als Physiker sind wir an Zusammenbruchstheorien interessiert, weil wir die Quantenphysik gerne besser verstehen würden und insbesondere, weil es theoretische Anhaltspunkte dafür gibt, dass der Zusammenbruch auf Gravitationseffekte zurückzuführen sein könnte. Eine Verbindung zwischen Quantenphysik und Schwerkraft wäre aufregend zu finden, da die gesamte Physik auf diesen beiden Theorien beruht. Ihre einheitliche Beschreibung - die sogenannte Theorie von allem - ist eines der großen Ziele der modernen Wissenschaft.

Geben Sie die optische Pinzette ein

Optische Pinzetten nutzen die Tatsache aus, dass Licht Materie unter Druck setzen kann. Obwohl der Strahlungsdruck selbst eines intensiven Laserstrahls recht gering ist, zeigte Ashkin als erster, dass er groß genug war, um ein Nanopartikel zu tragen, das der Schwerkraft entgegenwirkt und es effektiv schwebt.

Im Jahr 2010 stellte eine Gruppe von Forschern fest, dass ein solches Nanopartikel, das sich in einer optischen Pinzette befindet, gut von seiner Umgebung isoliert ist, da es keinen Kontakt zu einem Materialträger hat. Im Anschluss an diese Ideen schlugen mehrere Gruppen vor, wie man Superpositionen eines Nanopartikels an zwei räumlichen Orten erzeugen und beobachten kann.

Ein faszinierendes Schema, das 2013 von den Gruppen Tongcang Li und Lu Ming Duan vorgeschlagen wurde, betraf einen Nanodiamant-Kristall in einer Pinzette. Der Nanopartikel sitzt nicht still in der Pinzette. Vielmehr schwingt es wie ein Pendel zwischen zwei Orten, wobei die Rückstellkraft vom Strahlungsdruck des Lasers herrührt. Dieser Diamant-Nanokristall enthält außerdem ein kontaminierendes Stickstoffatom, das sich als winziger Magnet mit einem Nord- (N) und einem Süd- (S) Pol vorstellen kann.

Die Li-Duan-Strategie bestand aus drei Schritten. Zunächst schlugen sie vor, die Bewegung des Nanopartikels auf seinen Quantengrundzustand abzukühlen. Dies ist der niedrigste Energiezustand, den diese Partikelart haben kann. Wir können erwarten, dass sich das Teilchen in diesem Zustand nicht mehr bewegt und überhaupt nicht schwingt. In diesem Fall würden wir jedoch wissen, wo sich das Partikel befand (im Zentrum der Pinzette) und wie schnell es sich bewegte (überhaupt nicht). Die gleichzeitige Kenntnis von Position und Geschwindigkeit ist jedoch nach dem bekannten Heisenbergschen Unschärferprinzip der Quantenphysik nicht zulässig. Daher bewegt sich das Teilchen selbst in seinem niedrigsten Energiezustand ein wenig herum, gerade genug, um die Gesetze der Quantenmechanik zu erfüllen.

Zweitens erforderte das Li- und Duan-Schema, dass das magnetische Stickstoffatom in einer Überlagerung seines Nordpols nach oben und unten vorbereitet werden musste.

Schließlich war ein Magnetfeld erforderlich, um das Stickstoffatom mit der Bewegung des schwebenden Diamantkristalls zu verbinden. Dies würde die magnetische Überlagerung des Atoms auf die Überlagerung des Nanokristalls übertragen. Diese Übertragung wird dadurch ermöglicht, dass Atom und Nanopartikel vom Magnetfeld verschlungen werden. Dies geschieht auf die gleiche Weise, dass die Überlagerung der zerfallenen und nicht-zerfallenen radioaktiven Probe in die Überlagerung von Schrödingers Katze in totem und lebendigem Zustand umgewandelt wird.

Die Theorie des Zusammenbruchs unter Beweis stellen

Was diese theoretische Arbeit auslöste, waren zwei spannende experimentelle Entwicklungen. Bereits im Jahr 2012 zeigten die Gruppen von Lukas Novotny und Romain Quidant, dass es möglich ist, ein optisch angehobenes Nanopartikel um ein Hundertstel Grad über den absoluten Nullpunkt - die theoretisch niedrigste Temperatur - zu kühlen, indem die Intensität der optischen Pinzette moduliert wird. Der Effekt war derselbe wie das Verlangsamen eines Kindes auf einer Schaukel durch Drücken zu den richtigen Zeiten.

2016 konnten die gleichen Forscher auf ein Zehntausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlen. Zu dieser Zeit veröffentlichten unsere Gruppen einen Artikel, in dem festgestellt wurde, dass die Temperatur, die erforderlich ist, um den Quantengrundzustand eines mit einer Pinzette versehenen Nanopartikels zu erreichen, etwa ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt. Diese Anforderung ist anspruchsvoll, aber in Reichweite laufender Experimente.

Die zweite aufregende Entwicklung war die experimentelle Levitation eines Stickstoffdefekt tragenden Nanodiamanten im Jahr 2014 in der Gruppe von Nick Vamivakas. Mit einem Magnetfeld konnten sie auch die physikalische Kopplung des Stickstoffatoms und die Kristallbewegung erreichen, die für den dritten Schritt des Li-Duan-Schemas erforderlich ist.

Das Rennen beginnt nun, den Grundzustand zu erreichen, so dass nach dem Plan von Li-Duan beobachtet werden kann, dass ein Objekt an zwei Orten zu einer einzigen Einheit zusammenbricht. Wenn die Überlagerungen mit der von den Kollaps-Theorien vorhergesagten Geschwindigkeit zerstört werden, muss die Quantenmechanik, so wie wir sie kennen, überarbeitet werden.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation von Mishkat Bhattacharya und Nick Vamivakas veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.