Die Aufdeckung von Quanteneffekten auf der Ebene von Atomen und Elementarteilchen ist eine schwierige und schwierige Aufgabe. Es ist immer besser zu verstehen, was genau beobachtet und gemessen werden kann. Idealerweise ist es notwendig, Quanteneffekte auf der Makroebene - auf der Ebene der klassischen Physik - zum Auftreten zu bringen. Forschende der ETH Zürich haben sich diesem Problem angenommen und sind erfolgreich.
Kürzlich berichtete eine Autorengruppe um den ETH-Photonik-Professor Lukas Novotny (Lukas Novotny) in einem im Fachjournal Nature veröffentlichten Artikel über ein Quantenexperiment mit einer Glas-Nanokugel mit einem Durchmesser von 100 nm. Es ist ein Objekt unserer einheimischen makroskopischen Welt, obwohl es hundertmal dünner als ein menschliches Haar ist. Gleichzeitig enthält eine winzige Glaskugel zehn Millionen Atome und kann (und sollte) keine Quanteneffekte zeigen. Aber Wissenschaftler haben eine Glaskugel geschaffen, unter der sie sich wie ein Elektron oder ein einzelnes Atom verhalten kann. Insbesondere kann sich eine Kugel wie eine Welle verhalten und nicht nur wie ein Teilchen, und dieses Phänomen kann fast mit eigenen Augen beobachtet werden.
Die Herausforderung für die Forscher bestand darin, die Glaskugel als Ansammlung aller Atome auf den Quantenzustand mit der niedrigsten Energie zu verlangsamen. In diesem Zustand bleiben die Partikel stabil und ermöglichen die Beobachtung von Welleneigenschaften. Dazu wurde die Kugel in eine Vakuumkammer gelegt und auf eine Temperatur von 269 °C unter Null abgekühlt. Die thermische Bewegung der Atome in der Kugel hat deutlich abgenommen, aber damit die Kugel Quanteneffekte zeigen kann, ist eine stärkere Kühlung erforderlich, mit der die Forscher noch nicht fertig geworden sind.
Inzwischen haben Wissenschaftler die Möglichkeit getestet, auf der Nanosphäre mit elektromagnetischen Wellen abzubremsen. Im schwebenden Zustand im Vakuum wird die Nanokugel in einer durch einen Laserstrahl erzeugten optischen Falle gehalten. Mit einem anderen Strahl können Sie die Schwingungen der Nanokugel genau messen, und die Rückmeldung der Elektroden ermöglicht es Ihnen, die elektromagnetischen Felder zu bestimmten Zeiten einzuschalten, um die oszillierenden Bewegungen der Kugel zu dämpfen. So ähnlich schwingen oder verlangsamen wir im gewöhnlichen Leben eine Schaukel - wir erzeugen einen Beschleunigungs- oder Bremsimpuls in den Momenten, die für die Lösung des Problems erforderlich sind.
Wenn Wissenschaftler die Nanosphäre auf den Quantenzustand mit der niedrigsten Energie verlangsamen können, der der Kugel quantenmechanische Eigenschaften verleiht, dann wird es eine Kleinigkeit sein. Es gibt physikalisch erprobte Doppelspaltexperimente, die Teilchenwellenfunktionen aufweisen. In solchen Experimenten scheinen sich Elektronen oder Atome gleichzeitig an zwei Orten zu befinden und weisen Welleneigenschaften auf. Tatsächlich sprechen wir vom Phänomen der Interferenz, wenn verschiedene Teile der Welle durch zwei beabstandete Schlitze laufen und am Ausgang ein charakteristisches Bild erzeugen. Ein ähnliches Bild erwarten die Wissenschaftler bei einem Experiment mit einer Glas-Nanokugel, das ein Beweis für ein Quantenphänomen auf Makroebene sein wird.
Fügen wir hinzu, dass auch heute noch solche Experimente, die noch nicht abgeschlossen sind, ein enormes Potenzial haben. Basierend auf solchen Nanosphären und quantennahen Phänomenen ist es möglich, Beschleunigungs- und Verschiebungssensoren zu entwickeln, die die Bewegung von Objekten genauer verfolgen als alle GPS zusammen. Das gefällt dem Militär besonders gut, aber das ist eine andere Geschichte.
2021-07-17 13:50:49
Autor: Vitalii Babkin