ノーベル賞光ピンセットは宇宙がどのように機能するかについての新しい手がかりを発見します

光ピンセット（小さな粒子を閉じ込めることができる集束レーザービーム）は、今では古くからあると思われるかもしれません。結局のところ、ピンセットは1970年にArthur Ashkinによって発明されました。そして、彼はそのために今年のノーベル賞を受賞しました - おそらくそれが過去半世紀の間に実現された主な意味合いの後です。

驚くべきことに、これは真実からかけ離れています。光ピンセットは、科学者が量子力学、すなわち素粒子の観点から自然を説明する理論を理解するのを助けながら、新しい能力を明らかにしています。

この理論はいくつかの奇妙で直感に反する結論を導きました。そのうちの1つは、量子力学によって、単一の対象が同時に2つの異なる現実状態に存在できるようになることです。たとえば、量子物理学では、シュレーディンガーの猫の有名な思考実験のように、身体を空間内の2つの異なる場所に同時に存在させることができます。

この現象の技術名称は重ね合わせです。単一原子のような小さな物体に対して重ね合わせが観察されています。しかし、明らかに、私たちは私たちの日常生活の中で重ね合わせを見ることはありません。たとえば、2ヵ所で同時にコーヒーを見ることはありません。

この観察を説明するために、理論物理学者は、大きな対象物について - 約10億個の原子を含むナノ粒子であっても - 標準的な量子力学の崩壊により、2つの可能性のうちの一方に急速に崩壊することを示唆した。大きなオブジェクトの場合、崩壊率は速くなります。シュレーディンガーの猫にとって、この「崩壊」 - 「生きている」または「死んでいる」 - は実際には瞬間的なものであり、猫の重なりが同時に2つの状態になることはないのです。

最近まで、教科書の量子力学の修正を必要とするであろうこれらの「崩壊理論」は、重ね合わせで大きな物体を準備することが困難であるため、テストすることができませんでした。これは、大きな物体は原子や素粒子よりも周囲との相互作用が強くなるためです。これは量子状態を破壊する熱の漏れを招きます。

物理学者として、私たちは量子物理学をよりよく理解したいので、そして特に崩壊が重力効果のためであるかもしれないという理論的徴候があるので崩壊理論に興味があります。量子物理学と重力の間の関係は、すべての物理学がこれら2つの理論に基づいているので見つけるのは興奮するでしょう、そしてそれらの統一された記述、いわゆるTheory of Everythingは現代科学の壮大な目標の1つです。

光ピンセットを入力してください

光ピンセットは、光が物質に圧力をかけることができるという事実を利用しています。強いレーザービームからの放射圧は非常に小さいですが、Ashkinは、ナノ粒子を支えるのに十分な大きさで、重力に対抗してそれを効果的に浮揚させることを示した最初の人物でした。

2010年、研究者たちのグループは、光ピンセットによって保持されたそのようなナノ粒子は、いかなる物質支持体とも接触していなかったので、その環境から十分に隔離されていることに気付いた。これらの考えに従って、いくつかのグループが、2つの異なる空間的位置でナノ粒子の重ね合わせを作り出し観察する方法を提案した。

2013年にTongcang LiとLu Ming Duanのグループによって提案された興味深いスキームは、ピンセットの中にナノダイヤモンド結晶を含んだ。ナノ粒子はピンセット内に静止していません。むしろ、それは２つの位置の間の振り子のように振動し、その復元力はレーザーによる放射圧から来る。さらに、このダイヤモンドナノクリスタルは、北（Ｎ）極および南（Ｓ）極を有する、小さな磁石と考えることができる汚染窒素原子を含む。

Li-Duan戦略は3つのステップで構成されていました。第一に、彼らはナノ粒子の運動をその量子基底状態に冷却することを提案した。これはこのタイプの粒子が持つことができる最も低いエネルギー状態です。この状態では、粒子は動き回るのを止め、まったく振動しないと思われるかもしれません。しかしながら、もしそれが起こったならば、我々は粒子がどこにあったか（ピンセットの中心で）、そしてそれがどれだけ速く動いていたかを知るであろう（全くではない）。しかし、位置と速度の両方を同時に完全に知ることは、量子物理学の有名なハイゼンベルグの不確定性原理によっては許されません。このように、その最も低いエネルギー状態でさえ、粒子は、量子力学の法則を満たすのにちょうど十分に、少し動き回る。

第二に、LiとDuanのスキームでは、磁性窒素原子をその北極が上向きにも下向きにも重ね合わせて準備されることを要求した。

最後に、窒素原子を浮遊ダイヤモンド結晶の運動に結び付けるために磁場が必要とされた。これは原子の磁気的重ね合わせをナノ結晶の位置重ね合わせに移すであろう。この移動は、原子とナノ粒子が磁場によって絡み合っているという事実によって可能になる。崩壊した放射性サンプルと崩壊しなかった放射性サンプルの重ね合わせが、死んだ状態と生きている状態のシュレディンガーの猫の重ね合わせに変換されるのと同じように起こります。

崩壊理論の証明

この理論的な仕事の歯を与えたものは2つの刺激的な実験的発展でした。すでに2012年にLukas NovotnyとRomain Quidantのグループは、光ピンセットの強度を調整することによって、光学的に浮上したナノ粒子を絶対零度の百分の一度以上に冷却することが可能であることを示しました。効果は、適切なタイミングで押すことによってスイングで子供を遅らせるのと同じです。

2016年には、同じ研究者が絶対零度を超える1万分の1度まで冷却することができました。この頃、私たちのグループは、ツイードナノ粒子の量子基底状態に達するのに必要な温度が絶対零度を超える百万分の一度程度であることを証明する論文を発表しました。この要件は困難ですが、進行中の実験の範囲内です。

2つ目のエキサイティングな開発は、Nick Vamivakasのグループにおける2014年の窒素欠陥を持つナノダイヤモンドの実験的な浮上でした。磁場を使用して、彼らはまた、窒素原子の物理的結合およびLi-Duanスキームの第3段階に必要な結晶運動を達成することができた。

競争は基底状態に到達するためのものであり、その結果、Li-Duanの計画によれば、2つの場所にある物体が単一の実体に崩壊するのを観察することができます。重ね合わせが崩壊理論によって予測された速度で破壊された場合、我々が知っている量子力学は修正されなければならないでしょう。

この記事はもともとMishkat BhattacharyaとNick VamivakasによってThe Conversationに掲載されました。ここで元の記事を読んでください。