Reklam
Teknoloji Haberleri

Fizikçiler, Olağanüstü Deneyde İnsan Ölçekli Nesneyi Durmaya Yakınlaştırarak Kuantum Bir Duruma Ulaştılar

reklam
Reklam


Kilogram Soğutma

MIT bilim adamları, LIGO’nun 40 kilogramlık aynalarının hassas ölçümlerini kullanarak 10 kilogramlık bir nesneyi neredeyse durma noktasına kadar soğutdu. Burada LIGO’nun aynalarından birini inceleyen LIGO optik teknisyenleri gösterilmektedir. Kredi: Caltech/MIT/LIGO Lab

reklam

Sonuçlar, yerçekiminin kuantum durumlarındaki nispeten büyük nesneler üzerindeki etkilerini incelemek için olanaklar sunuyor.

İnsan gözüne, çoğu durağan nesne tam da öyle görünür – hareketsiz ve tamamen hareketsizdir. Yine de, nesneleri tek tek atom ölçeğinde görmemizi sağlayan bir kuantum merceği elimize verilseydi, masamızda boş boş duran bir elma, çok hareket halinde, titreşen parçacıkların iç içe geçmiş bir koleksiyonu olarak görünürdü.

reklam

Son birkaç on yılda fizikçiler, atomları neredeyse durma noktasına veya “hareketsel temel hallerine” gelecek şekilde nesneleri süper soğutmanın yollarını buldular. Fizikçiler bugüne kadar milyonlarca atomdan oluşan bulutlar veya nanogram ölçeğindeki nesneler gibi küçük nesneleri bu tür saf kuantum hallerine dönüştürdüler.

Şimdi ilk kez, MIT ve başka yerlerdeki bilim adamları, büyük, insan ölçekli bir nesneyi hareket halindeki temel durumuna yakın olacak şekilde soğutdular. Nesne, tek bir yerde bulunma anlamında somut değildir, ancak her biri yaklaşık 40 kilogram ağırlığındaki dört ayrı nesnenin birleşik hareketidir. Araştırmacıların soğuttuğu “nesne”nin tahmini kütlesi yaklaşık 10 kilogramdır ve yaklaşık 1×1026veya yaklaşık 1 oktilyon atom.

Araştırmacılar, Lazer Interfrometer Yerçekimi-Dalga Gözlemevi’nin (LIGO) kütlelerin hareketini aşırı hassasiyetle ölçme ve kütlelerin toplu hareketini 77 nanokelvin’e süper soğutma yeteneğinden yararlandı, bu da nesnenin tahmin edilen temel durumunun hemen altındaydı. 10 nanokelvin.

18 Haziran 2021’de dergide yayınlanan sonuçları Bilim, hareket zemin durumuna yakın olacak şekilde soğutulacak en büyük nesneyi temsil eder. Bilim adamları, artık yerçekiminin devasa bir kuantum nesnesi üzerindeki etkisini gözlemleme şansına sahip olduklarını söylüyorlar.

MIT’de makine mühendisliği yardımcı doçenti olan ve projeyi yöneten Vivishek Sudhir, “Hiç kimse yerçekiminin devasa kuantum halleri üzerinde nasıl etki ettiğini gözlemlemedi” diyor. “Kuantum durumlarında kilogram ölçekli nesnelerin nasıl hazırlanacağını gösterdik. Bu, nihayet, şimdiye kadar yalnızca hayal edilen bir şey olan, yerçekiminin büyük kuantum nesnelerini nasıl etkileyebileceğine dair deneysel bir çalışmanın kapısını açıyor.”

Çalışmanın yazarları LIGO Laboratuvarı üyeleridir ve baş yazar ve yüksek lisans öğrencisi Chris Whittle, doktora sonrası Evan Hall, araştırma bilimcisi Sheila Dwyer, Bilim ve Curtis Okulu Dekanı ve Kathleen Mermer Astrofizik Profesörü Nergis Mavalvala ve yardımcı doçenttir. makine mühendisliği Vivishek Sudhir.

Hassas geri itme

Tüm nesneler, atomların birbirleriyle ve dış etkilerden kaynaklanan birçok etkileşiminin bir sonucu olarak bir tür hareket içerir. Tüm bu rastgele hareket, bir nesnenin sıcaklığına yansır. Bir nesne sıfıra yakın bir sıcaklığa soğutulduğunda, hala “hareketsel zemin durumu” adı verilen bir artık kuantum hareketine sahiptir.

Bir cismi yolunda durdurmak için, ona eşit ve zıt bir kuvvet uygulanabilir. (Eldiveninizin gücüyle uçuşun ortasında bir beyzbolu durdurmayı düşünün.) Bilim adamları bir atomun hareketlerinin büyüklüğünü ve yönünü tam olarak ölçebiliyorlarsa, sıcaklığını düşürmek için karşı kuvvet uygulayabilirler – bu, geri beslemeli soğutma olarak bilinen bir tekniktir.

Fizikçiler, bireysel atomları ve ultra hafif nesneleri kuantum temel durumlarına getirmek için lazer ışığı da dahil olmak üzere çeşitli yollarla geri beslemeli soğutma uyguladılar ve daha büyük, geleneksel olarak klasik sistemlerde kuantum etkilerini incelemek için giderek daha büyük nesneleri süper soğutmaya çalıştılar.

Sudhir, “Bir şeyin sıcaklığa sahip olması, etrafındaki şeylerle etkileşime girdiği fikrinin bir yansımasıdır” diyor. “Ve daha büyük nesneleri etraflarında olup bitenlerden ayırmak daha zor.”

Büyük bir nesnenin atomlarını zemin durumuna yakın bir duruma soğutmak için, bu hareketi durdurmak için gereken geri itme derecesini bilmek için önce hareketlerini aşırı hassasiyetle ölçmek gerekir. Dünyada çok az enstrüman böyle bir hassasiyete ulaşabilir. LIGO, olduğu gibi, yapabilir.

Yerçekimi dalgası algılayan gözlemevi, ayrı ABD lokasyonlarında ikiz interferometreler içerir. Her interferometre, L şeklinde birbirine bağlı ve her iki yönde 4 kilometre uzanan iki uzun tünele sahiptir. Her tünelin her iki ucunda, gelen bir yerçekimi dalgası gibi herhangi bir rahatsızlığa tepki olarak bir sarkaç gibi sallanan, ince liflerle asılı 40 kilogramlık bir ayna bulunur. Tünellerin bağlantı noktasındaki bir lazer bölünür ve her tünele gönderilir, ardından kaynağına geri yansıtılır. Geri dönüş lazerlerinin zamanlaması, bilim adamlarına her bir aynanın bir protonun genişliğinin 1/10.000’i kadar bir doğrulukla ne kadar hareket ettiğini tam olarak söyler.

Sudhir ve meslektaşları, önce insan ölçeğindeki büyük nesnelerin hareketini ölçmek için LIGO’nun hareket ölçüm hassasiyetini kullanıp kullanamayacaklarını merak ettiler, ardından nesneleri temel durumlarına getirmek için ölçtüklerinin tersine bir karşı kuvvet uygulayıp uygulayamayacaklarını merak ettiler.

Geri eylemde geri hareket etme

Soğutmayı amaçladıkları nesne, tek bir ayna değil, LIGO’nun dört aynasının hepsinin birleşik hareketidir.

Sudhir, “LIGO, 40 kilogramlık dört aynanın ortak hareketini ölçmek için tasarlandı” diye açıklıyor. “Görünüşe göre bu kütlelerin ortak hareketini matematiksel olarak haritalayabilir ve onları 10 kilogramlık tek bir nesnenin hareketi olarak düşünebilirsiniz.”

Sudhir, atomların hareketini ve diğer kuantum etkilerini ölçerken, ölçme eyleminin bile aynayı rasgele tekmeleyip onu harekete geçirebileceğini söylüyor – “ölçüm geri hareketi” adı verilen bir kuantum etkisi. Bir lazerin bireysel fotonları, hareketi hakkında bilgi toplamak için bir aynadan yansırken, fotonun momentumu aynayı geri iter. Sudhir ve meslektaşları, aynalar LIGO’da olduğu gibi sürekli olarak ölçülürse, daha sonraki fotonlar tarafından taşınan bilgilerde geçmiş fotonlardan rastgele geri tepmenin gözlemlenebileceğini fark ettiler.

Her aynada hem kuantum hem de klasik bozulmaların eksiksiz bir kaydıyla donanmış olan araştırmacılar, her aynanın arkasına bağlı elektromıknatıslarla eşit ve zıt bir kuvvet uyguladılar. Efekt, toplu hareketi neredeyse durma noktasına getirdi ve aynaları o kadar az enerjiyle bıraktı ki, 10’dan fazla hareket etmediler.-20 metre, bir protonun boyutunun binde birinden daha az.

Ekip daha sonra nesnenin kalan enerjisini veya hareketini sıcaklıkla eşitledi ve nesnenin 77 nanokelvin’de oturduğunu, 10 nanokelvin olduğunu tahmin ettikleri hareketsel zemin durumuna çok yakın olduğunu buldu.

Sudhir, “Bu, atom fizikçilerinin temel durumlarına ulaşmak için atomlarını soğuttuğu sıcaklıkla karşılaştırılabilir ve bu, pikogram ağırlığındaki belki bir milyon atomdan oluşan küçük bir bulutla olur” diyor. “Yani, çok daha ağır bir şeyi aynı sıcaklığa soğutabilmeniz olağanüstü.”

Whittle, “Bir şeyi temel durumda hazırlamak, genellikle onu heyecan verici veya egzotik kuantum hallerine sokmanın ilk adımıdır” diyor. “Yani bu çalışma heyecan verici çünkü bu diğer eyaletlerden bazılarını daha önce hiç yapılmamış bir kitle ölçeğinde incelememize izin verebilir.”

Referans: Chris Whittle, Evan D. Hall, Sheila Dwyer, Nergis Mavalvala, Vivishek Sudhir, R. Abbott, A. Ananyeva, C. Austin, L. Barsotti, J tarafından “10 kg’lık bir nesnenin hareketsel temel durumuna yaklaşma” Betzwieser, CD Blair, AF Brooks, DD Brown, A. Buikema, C. Cahillane, JC Driggers, A. Effler, A. Fernandez-Galiana, P. Fritschel, VV Frolov, T. Hardwick, M. Kasprzack, K. Kawabe, N. Kijbunchoo, JS Kissel, GL Mansell, F. Matichard, L. McCuller, T. McRae, A. Mullavey, A. Pele, RMS Schofield, D. Sigg, M. Tse, G. Vajente, DC Vander- Hyde, Hang Yu, Haocun Yu, C. Adams, RX Adhikari, S. Appert, K. Arai, JS Areeda, Y. Asali, SM Aston, AM Baer, ​​M. Ball, SW Ballmer, S. Banagiri, D. Barker , J. Bartlett, BK Berger, D. Bhattacharjee, G. Billingsley, S. Biscans, RM Blair, N. Bode, P. Booker, R. Bork, A. Bramley, KC Cannon, X. Chen, AA Ciobanu, F Clara, CM Compton, SJ Cooper, KR Corley, ST Countryman, PB Covas, DC Coyne, LEH Datrier, D. Davis, C. Di Fronzo, KL Dooley, P. Dupej, T. Etzel, M. Evans, TM Eva ns, J. Feicht, P. Fulda, M. Fyffe, JA Giaime, KD Giardina, P. Godwin, E. Goetz, S. Gras, C. Gray, R. Gray, AC Green, EK Gustafson, R. Gustafson, J. Hanks, J. Hanson, RK Hasskew, MC Heintze, AF Helmling-Cornell, NA Holland, JD Jones, S. Kandhasamy, S. Karki, PJ King, Rahul Kumar, M. Landry, BB Lane, B. Lantz, M. Laxen, YK Lecoeuche, J. Leviton, J. Liu, M. Lormad, AP Lundgren, R. Macas, M. MacInnis, DM Macleod, S. Márka, Z. Márka, DV Martynov, K. Mason, TJ Massinger , R. McCarthy, DE McClelland, S. McCormick, J. McIver, G. Mendell, K. Merfeld, EL Merilh, F. Meylahn, T. Mistry, R. Mittleman, G. Moreno, CM Mow-Lowry, S. Mozzon, TJN Nelson, P. Nguyen, LK Nuttall, J. Oberling, Richard J. Oram, C. Osthelder, DJ Ottaway, H. Overmier, JR Palamos, W. Parker, E. Payne, R. Penhorwood, CJ Perez, M. Pirello, H. Radkins, KE Ramirez, JW Richardson, K. Riles, NA Robertson, JG Rollins, CL Romel, JH Romie, MP Ross, K. Ryan, T. Sadecki, EJ Sanchez, LE Sanchez, TR Saravanan, RL Savage, D. Schaetz, R. Schna bel, E. Schwartz, D. Sellers, T. Shaffer, BJJ Slagmolen, JR Smith, S. Soni, B. Sorazu, AP Spencer, KA Strain, L. Sun, MJ Szczepanczyk, M. Thomas, P. Thomas, KA Thorne, K. Toland, CI Torrie, G. Traylor, AL Urban, G. Valdes, PJ Veitch, K. Venkateswara, G. Venugopalan, AD Viets, T. Vo, C. Vorvick, M. Wade, RL Ward, J Warner, B. Weaver, R. Weiss, B. Willke, CC Wipf, L. Xiao, H. Yamamoto, L. Zhang, ME Zucker ve J. Zweizig, 18 Haziran 2021, Science.
DOI: 10.1126/science.abh2634

Bu araştırma kısmen Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmiştir.




scitechdaily.com

Source link

reklam
reklamm

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

reklam
Başa dön tuşu

Reklam Engelleyici Algılandı

Lütfen Reklam Engelleyiciyi Kapatınız