Fisikawan hampir menghentikan objek pada skala manusia dan mencapai keadaan kuantum

CAMBRIDGE, MA – Bagi mata manusia, sebagian besar objek diam tampak seperti itu – diam dan benar-benar diam. Namun, jika kita ingin mendapatkan lensa kuantum yang memungkinkan kita melihat objek pada urutan atom individu, sebuah apel yang tergeletak di meja kita akan muncul sebagai kumpulan partikel bergetar yang sangat banyak bergerak.

Dalam beberapa dekade terakhir, fisikawan telah menemukan cara untuk mendinginkan objek sehingga atomnya hampir diam atau berada dalam “keadaan gerak dasar”. Sampai hari ini, fisikawan telah bergulat dengan benda-benda kecil seperti awan yang terdiri dari jutaan atom atau benda dalam rentang nanogram menjadi keadaan kuantum murni.

Sekarang, untuk pertama kalinya, para ilmuwan di MIT dan di tempat lain telah mendinginkan sebuah objek besar pada skala manusia untuk mendekati keadaan dasar geraknya. Benda tersebut tidak berwujud dalam artian berada di satu tempat, tetapi merupakan gabungan gerakan dari empat benda yang terpisah, masing-masing berbobot sekitar 40 kilogram. “Objek” yang didinginkan oleh para peneliti itu diperkirakan memiliki massa sekitar 10 kilogram dan terdiri dari sekitar 1×1026 atau hampir 1 oktillion atom.

Para peneliti menggunakan kemampuan Laser Interfrometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) untuk mengukur pergerakan massa dengan presisi ekstrim dan mendinginkan gerakan kolektif massa hingga 77 nanokelvin, tepat di bawah kondisi dasar objek yang diprediksi 10 nanokelvin.

Hasil Anda muncul hari ini ilmu, mewakili objek terbesar yang perlu didinginkan hingga mendekati keadaan gerak dasarnya. Para ilmuwan mengatakan mereka sekarang memiliki kesempatan untuk mengamati efek gravitasi pada objek kuantum besar.

“Tidak ada yang pernah mengamati bagaimana gravitasi mempengaruhi keadaan kuantum masif,” kata Vivishek Sudhir, asisten profesor teknik mesin di MIT, yang memimpin proyek tersebut. “Kami mendemonstrasikan bagaimana mempersiapkan objek dalam skala kilogram dalam keadaan kuantum. Ini akhirnya membuka pintu untuk studi eksperimental tentang bagaimana gravitasi dapat mempengaruhi objek kuantum besar yang sebelumnya hanya diimpikan.”

Penulis penelitian ini adalah anggota laboratorium LIGO dan termasuk penulis utama dan mahasiswa PhD Chris Whittle, postdoc Evan Hall, peneliti Sheila Dwyer, Dekan School of Science and the Curtis, dan Kathleen Marble Professor of Astrophysics Nergis Mavalvala dan Asisten Profesor Mekanik Teknik Vivishek Sudhir.

Semua benda mewujudkan semacam gerakan sebagai hasil dari banyak interaksi yang dimiliki atom satu sama lain dan melalui pengaruh eksternal. Semua gerakan acak ini tercermin dalam suhu suatu benda. Ketika sebuah benda didinginkan hingga mendekati nol, ia masih memiliki beberapa gerakan kuantum sisa, keadaan yang disebut “keadaan gerak dasar”.

Untuk menghentikan sebuah benda di jalurnya, gaya yang sama dan berlawanan dapat diberikan padanya. (Ingatlah untuk menghentikan bola bisbol di tengah penerbangan dengan kekuatan sarung tangan Anda.) Jika para ilmuwan dapat secara akurat mengukur ukuran dan arah pergerakan atom, mereka dapat menggunakan gaya penangkal untuk menurunkan suhunya – teknik yang dikenal sebagai pendinginan Umpan Balik. .

Fisikawan telah menggunakan pendinginan umpan balik melalui berbagai cara termasuk sinar laser untuk membawa atom individu dan objek ultralight ke keadaan dasar kuantumnya, dan telah mencoba mendinginkan objek yang semakin besar untuk mempelajari efek kuantum dalam sistem klasik tradisional yang lebih besar.

“Fakta bahwa sesuatu berada pada suhu mencerminkan gagasan bahwa ia berinteraksi dengan benda-benda di sekitarnya,” kata Sudhir. “Dan lebih sulit untuk mengisolasi objek yang lebih besar dari semua hal yang terjadi di sekitar mereka.”

Untuk mendinginkan atom-atom dari sebuah objek besar hingga mendekati keadaan dasar, pertama-tama seseorang harus mengukur gerakannya dengan sangat presisi untuk mengetahui tingkat rekoil yang diperlukan untuk menghentikan gerakan itu. Hanya sedikit instrumen di dunia yang dapat mencapai presisi seperti itu. Omong-omong, LIGO bisa melakukan itu.

Observatorium pendeteksi gelombang gravitasi mencakup interferometer kembar di berbagai lokasi AS. Setiap interferometer memiliki dua terowongan panjang yang terhubung dalam bentuk L dan memanjang 4 kilometer di kedua arah. Di setiap ujung setiap terowongan ada cermin seberat 40 kilogram yang digantung pada serat tipis dan, sebagai respons terhadap gangguan apa pun, berayun seperti gelombang gravitasi yang masuk seperti pendulum. Sebuah laser di perhubungan terowongan dipecah dan dikirim melalui setiap terowongan, kemudian dipantulkan kembali ke sumbernya. Waktu dari laser yang kembali memberi tahu para ilmuwan dengan tepat berapa banyak setiap cermin telah bergerak, dengan akurasi 1 / 10.000 lebar proton.

Sudhir dan rekan-rekannya bertanya-tanya apakah mereka dapat menggunakan presisi pengukuran gerakan LIGO untuk mengukur gerakan objek besar pada skala manusia terlebih dahulu dan kemudian menerapkan gaya berlawanan yang berlawanan dengan apa yang mereka ukur untuk membawa objek ke keadaan dasarnya .

Objek yang akan didinginkan bukanlah cermin tunggal, melainkan gerakan gabungan dari keempat cermin LIGO.

“LIGO harus mengukur pergerakan gabungan empat cermin seberat 40 kilogram,” jelas Sudhir. “Ternyata gerakan gabungan dari massa ini dapat dipetakan secara matematis dan dibayangkan sebagai gerakan satu benda seberat 10 kilogram.”

Saat mengukur gerakan atom dan efek kuantum lainnya, kata Sudhir, tindakan pengukuran yang sebenarnya dapat secara tidak sengaja menabrak cermin dan membuatnya bergerak – efek kuantum yang dikenal sebagai “umpan balik pengukuran”. Ketika masing-masing foton dari laser memantul dari cermin untuk mengumpulkan informasi tentang pergerakannya, momentum foton mendorong kembali ke cermin. Sudhir dan rekan-rekannya menemukan bahwa ketika cermin diukur terus menerus, seperti di LIGO, recoil acak foton masa lalu dapat diamati dalam informasi foton selanjutnya.

Dilengkapi dengan catatan lengkap gangguan kuantum dan klasik pada setiap cermin, para peneliti mengerahkan kekuatan yang sama dan berlawanan menggunakan elektromagnet yang melekat pada bagian belakang setiap cermin. Efeknya hampir menghentikan gerakan kolektif, meninggalkan cermin dengan energi yang sangat kecil sehingga mereka tidak bergerak lebih dari 10-20 meter, kurang dari seperseribu ukuran proton.

Tim kemudian menyamakan energi atau gerak objek yang tersisa dengan suhu dan menemukan objek berada pada 77 nanokelvin, sangat dekat dengan keadaan gerak dasarnya, yang mereka prediksi pada 10 nanokelvin.

“Ini sebanding dengan suhu di mana fisikawan atom mendinginkan atom mereka untuk mencapai keadaan dasar mereka, dan dengan awan kecil mungkin sejuta atom yang beratnya pikogram,” kata Sudhir. “Jadi, sungguh luar biasa bahwa Anda bisa mendinginkan sesuatu yang jauh lebih berat dengan suhu yang sama.”

“Menyiapkan sesuatu dalam keadaan dasarnya sering kali merupakan langkah pertama untuk membuatnya menjadi keadaan kuantum yang menarik atau eksotis,” kata Whittle. “Jadi pekerjaan ini menarik karena memungkinkan kita untuk memeriksa beberapa negara bagian lain ini dalam skala massal yang belum pernah terjadi sebelumnya.”

###

Penelitian ini didukung sebagian oleh National Science Foundation.