I ricercatori raffreddano un oggetto di 40 kg vicino al suo stato fondamentale quantistico

Ingrandisci / Uno degli specchi da 40 kg che si è avvicinato al suo stato fondamentale quantistico.

Matt Hintz / Caltech / MIT / LIGO Lab

Gli oggetti che obbediscono alle regole della meccanica quantistica si comportano in modo molto diverso da quelli del mondo familiare che ci circonda. Questa differenza porta a una domanda ovvia: è possibile che gli oggetti di uso quotidiano inizino a comportarsi come un oggetto quantistico?

Ma vedere il comportamento quantistico richiede di limitare le interazioni dell’oggetto con il suo ambiente, che diventano sempre più difficili man mano che gli oggetti diventano più grandi. Tuttavia, ci sono stati progressi nell’aumentare le dimensioni delle cose che possiamo mettere in uno stato quantico الة piccoli oscillatori anche Granelli di sabbia essendo esempi eccezionali.

Finora, i ricercatori hanno affrontato questa sfida in gran parte ampliando i sistemi che erano relativamente facili da gestire. Ma nel numero di oggi di Science, i ricercatori riferiscono di essere vicini a mettere un oggetto di grandi dimensioni nel suo stato fondamentale quantistico-un Un oggetto davvero grande: gli specchi da 40kg del LEGO Gravitational Wave Observatory.

nell’amaca

Gli specchi sono essenziali per la funzione LIGO. Sono posizionati alle estremità opposte di lunghi tunnel, consentendo alla luce laser di rimbalzare avanti e indietro lungo i tunnel più volte. Ciò rende la distanza percorsa dalla luce molto più grande e quindi aumenta la probabilità di sperimentare un effetto misurabile da un’onda gravitazionale che passa.

Qualsiasi rumore negli specchi può causare problemi con il funzionamento del rilevatore, quindi sono installati in modi diversi. Prima di tutto, è pesante, con un peso di 40 kg (88,2 libbre). È anche sospeso da cavi solidi, trasformando lo specchio in qualcosa che assomiglia a un pendolo. Infine, il sistema di smorzamento legge la posizione dello specchio ed esercita una forza per mantenerlo nella posizione prevista.

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Questo sistema di smorzamento è stato la chiave dell’esperimento in corso. La configurazione include alcuni elettrodi d’oro che polarizzano gli specchi stessi. Ciò consente alla tensione di controllo di trasmettere una forza allo specchio. Vengono elaborate le misurazioni della posizione e del movimento dello specchio e vengono calcolate le forze di compensazione e vengono generati segnali appropriati per applicare tale forza attraverso il sistema elettrico.

Questo sistema ha un ritardo necessario, poiché i calcoli coinvolti nel ciclo di controllo non vengono eseguiti immediatamente. Poiché il sistema agisce come un pendolo, qualsiasi forza applicata ad esso può rallentare la sua oscillazione corrente o accelerarla per oscillare a una frequenza diversa.

Reazioni agghiaccianti

Fortunatamente, si scopre che il ritardo che si è verificato qui ha smorzato il sistema, piuttosto che modificarne la frequenza. (Questo è tecnicamente vero solo per una singola modalità, o gamma di frequenze, dell’oscillazione del pendolo.) Nel tempo, poiché il sistema veniva continuamente modificato, l’effetto era quello di sprecare energia dal sistema, raffreddandolo efficacemente. Alla fine del runtime, i ricercatori hanno stimato che la temperatura effettiva fosse di soli 77 nanokel, o molto vicina allo zero assoluto.

I ricercatori lo mettono anche in termini di fononi, che sono un’unità quantistica di vibrazione. Alla fine del processo, c’erano probabilmente 11 fononi nello specchio da 40 chilogrammi. Questo non è il caso di una Terra quantistica, che implicherebbe lo svuotamento del sistema di fononi. Ma è molto vicino e può effettivamente essere utile per studiare fenomeni quantistici su oggetti di grandi dimensioni; In caso contrario, non ci vorrebbe molto miglioramento per arrivarci.

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La possibilità più eccitante che vedono gli autori è che il moto del pendolo dipenda anche da effetti gravitazionali, che non siamo stati in grado di conciliare con la meccanica quantistica. Suggeriscono che il nuovo lavoro “suggerisce una prospettiva allettante per lo studio della decoerenza gravitazionale su sistemi quantistici massicci”. Rispetto a un granello di sabbia, 40 kg sono decisamente enormi.

Scienza, 2021. DOI: 10.1126 / Scienza. abh2634 (Informazioni sui DOI).

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