კვანტური ფიზიკის სფეროში მნიშვნელოვანი მიღწევის შესახებ უნდა მოგიყვეთ, რომელიც მთლიანად ელექტრონის სპინს — ამ ნაწილაკების უმცირეს, თანდაყოლილ კვანტურ თვისებას უკავშირდება. სპინის გამო ელექტრონი პატარა მაგნიტივით იქცევა, დაახლოებით ისე, როგორც კომპასის მიკროსკოპული ისარი.

აქამდე ამ სპინების ძალა მხოლოდ ცალკეული ატომების ამა თუ იმ მიმართულებით გადასაადგილებლად იყო საკმარისი. ახლა კი, მკვლევრებმა გაცილებით დიდი ობიექტის ამოძრავება შეძლეს.

იაპონიაში მდებარე ოკინავას მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ინსტიტუტის (OIST) გუნდმა ჟურნალ Science Advances-ში ახალი კვლევა გამოაქვეყნა, სადაც დეტალურადაა აღწერილი, თუ როგორ შეიძლება სანტიმეტრის ზომის ობიექტის ამ კვანტური ძალებით გადაადგილება.

ეს მნიშვნელოვანი წინგადადგმული ნაბიჯია მეცნიერებისთვის კვანტურსა (ძალიან მცირე მასშტაბები) და კლასიკურს (ყველაფერი დანარჩენი) შორის არსებულ საზღვარზე.
ეს შედეგი მნიშვნელოვანია კვანტურ და კლასიკურ ქცევას შორის კავშირის შესასწავლად. მკვლევრების გრძელვადიანი მიზანია ისეთი მასიური ობიექტების კვანტური მდგომარეობების მართვა, რომლებიც გრავიტაციის კვანტური ბუნების შესამოწმებლად გამოდგება.

"იყო მრავალი მცდელობა იმის შესამოწმებლად, მოქმედებს თუ არა კვანტური მექანიკა რამდენიმე ათეულ ნანომეტრზე დიდ ობიექტებზე, თუმცა აქამდე უშედეგოდ. ახლა კი დავაკვირდით ობიექტზე კვანტური ძალისადმი კლასიკურ მექანიკურ პასუხს, რომელიც რვა-ცხრა სიდიდის რიგით უფრო მასიურია, ვიდრე ამჟამად არსებულ უახლეს სპინ-მექანიკურ ექსპერიმენტებში გამოყენებული ობიექტები", — ამბობს თეორიული ფიზიკოსი ჯეისონ ტვამლი.

როგორი იყო ექსპერიმენტის დიზაინი?

მკვლევრებმა შედეგების მისაღებად ექსპერიმენტის დიზაინის რამდენიმე ჭკვიანური გადაწყვეტილება გააერთიანეს, დაწყებული სანტიმეტრის ზომის ობიექტით: ეს იყო გრაფიტის ფირფიტა, რომელიც მოთავსებული გახლდათ ჭადრაკის დაფის მსგავსად განლაგებულ მაგნიტებზე, რაც მის ლევიტაციას უზრუნველყოფდა.

ფირფიტიდან ნახშირბოჭკოვანი ღეროთი დაკიდებული იყო 3-მილიმეტრიანი ალმასი სპეციალური ატომური დეფექტებით, რომლებიც ცნობილია როგორც აზოტ-ვაკანსიის (NV) ცენტრები. ეს დეფექტები ალმასს ანიჭებს ელექტრონებს მართვადი სპინებით, რომელთა მანიპულირებაც შემდეგ ლაზერული სინათლით ხდებოდა. კიდევ ერთი მაგნიტი იქნა გამოყენებული იმისთვის, რომ ეს სპინები მოძრაობად გარდაქმნილიყო.

მთლიანი კონსტრუქცია დაახლოებით 128 მილიგრამს (რამდენიმე ბრინჯის მარცვლის ეკვივალენტს) იწონიდა და დაახლოებით 100 ნანომეტრით გადაადგილდა — რაც ადამიანის თმის ღერის სისქის დაახლოებით მეათასედია. ეს ბევრი არ არის, მაგრამ ექსპერიმენტული სპეციფიკის გათვალისწინებით მნიშვნელოვანი შედეგია.

"NV ალმასები კარგად არის შესწავლილი და მარტივი სამართავია. ეს და ის ფაქტი, რომ NV ცენტრებს აქვთ ერთ-ერთი ყველაზე ხანგრძლივი ცნობილი კოჰერენტულობის დრო და ეს მათ საშუალებას აძლევს ოთახის ტემპერატურაზე სხვა სისტემებზე გაცილებით დიდხანს შეინარჩუნონ კვანტური სუპერპოზიცია, მათ განსაკუთრებით მიმზიდველს ხდის სამომავლო კვლევებში მოძრაობის ან ობიექტის მაკროსკოპული სუპერპოზიციის გენერირებისთვის", — ამბობს ფიზიკოსი დეჰი კიმი.

ამგვარ კვლევებში მეცნიერები ხშირად ძალიან მცირე ობიექტებით იწყებენ და შემდეგ მათ მასას ზრდიან. ამ გუნდმა საპირისპირო გზა აირჩია: თავიდანვე შედარებით დიდი, ლევიტირებადი კონსტრუქცია შექმნა და მისი მოძრაობა სპინზე დამოკიდებული ძალით მართა.

"ჩვენ საპირისპირო მიდგომა ავირჩიეთ — მივდივართ დიდიდან მცირესკენ. ზუსტად ისე, როგორც დიამაგნიტურ ლევიტაციას შეუძლია მაგლევის მატარებლების აწევა, ის ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ალმასების მქონე სანტიმეტრის სიგანის ობიექტების ლევიტაციისთვის, სადაც გრავიტაციის ეფექტი შეიძლება უკიდურესად ძლიერი იყოს, მაგრამ კვანტური ეფექტები ჯერ არ დაფიქსირებულა", — ამბობს კვლევის თანაავტორი, ფიზიკოსი ანშუმან ნაიაკი.

როგორც ეს კვანტური კვლევების შემთხვევაში ხშირად ხდება, არაფიზიკოსებისთვის შესაძლოა ეს ძალიან შორეულ იდეად ჟღერდეს, მაგრამ მსგავსი ექსპერიმენტები და მათი შედეგები დაგვეხმარება სამყაროს შესახებ ზოგიერთ ყველაზე ღრმა კითხვაზე პასუხის გაცემაში — მათ შორის იმაზე, ემორჩილება თუ არა გრავიტაცია კვანტურ წესებს.

გასათვალისწინებელია, რომ აქ მოძრაობა კლასიკური იყო — მნიშვნელოვანია თავად კვანტური ეფექტი, რომელმაც ეს მოძრაობა გამოიწვია. სამომავლოდ, მკვლევრები იმედოვნებენ, რომ მათი მიდგომა დაგვეხმარება უფრო დიდი ობიექტების კვანტურ მდგომარეობებში მაგალითად, სუპერპოზიციაში გადაყვანაში, რომელშიც ობიექტი ერთდროულად ორ მდგომარეობაში იმყოფება.

"ვაჩვენეთ, რომ მცირე კვანტურმა ეფექტმა შეიძლება დიდი კლასიკური მექანიკური რეაქცია გამოიწვიოს. უკვე აღარ არის საუბარი იმაზე, არის თუ არა ასეთი ტექნოლოგიის არსებობა შესაძლებელი, არამედ იმაზე, თუ როგორ შეგვიძლია გავაუმჯობესოთ ექსპერიმენტული პირობები აინშტაინის ფარდობითობის ზოგადი თეორიის რეჟიმში კვანტური სუპერპოზიციის მისაღწევად. ჩვენ თამასას ნანომეტრებიდან სანტიმეტრებამდე ვწევთ. მხოლოდ კიდევ ერთი სიდიდის რიგი გვჭირდება და ბოლოს და ბოლოს შევძლებთ რეალურ ცხოვრებაში შრედინგერის კატაზე დაკვირვებას", — ამბობს თეორიული ფიზიკოსი და კვლევის თანაავტორი, ჯეისონ ტვამლი.