В 1986 году американский физик Артур Эшкин разработал увлекательный инструмент, который мог аккуратно подбирать и перемещать микроскопические объекты, такие как клетки и молекулы, не касаясь их. Этот инструмент, называемый оптическим пинцетом, использует сфокусированный лазер для удержания и манипулирования объектами.
Даже спустя 48 лет оптический пинцет по-прежнему очень актуален, и физики продолжают использовать это новшество для решения различных задач: от исследования наночастиц до модификации на клеточном уровне.
Недавно исследователи физического факультета Техниона в Израиле осуществили контролируемый перенос атомов из одного места в другое с помощью квантового туннелирования между оптическими пинцетами.
«Это первая демонстрация этого метода передачи, и мы считаем, что он может стать важной вехой в разработке новых квантовых платформ», — отмечает команда Техниона .
Движущиеся атомы в квантовом мире
Когда частица проходит через барьер , который она обычно не смогла бы преодолеть, это явление называется туннелированием. Это как если бы вы стояли перед стеной и, вместо того, чтобы перелезть через нее или обойти ее, каким-то образом прошли прямо сквозь нее.
Однако вы никак не сможете пройти сквозь стену или дверь. Это потому, что «туннелирование — это явление, уникальное для квантового мира, где частицы имеют шанс пройти через потенциальный барьер, который они не могут преодолеть классически», — говорят исследователи Техниона.
Для того чтобы добиться туннелирования атомов, исследователи использовали три оптических пинцета и расположили их в ряд. Затем они ввели в эту компоновку ультрахолодные фермионные атомы (атомы, охлажденные до абсолютного нуля температур).
Используя три пинцета в качестве ловушек, исследователи смогли контролировать скорость туннелирования атомов, изменяя расстояние между ловушками. Такой подход позволил исследователям успешно переносить атомы между двумя внешними пинцетами.
«Мы наблюдаем плавный и высокоэффективный перенос атомов между двумя внешними ловушками, при этом в центральной ловушке остается очень низкая популяция», — отмечают исследователи в своем исследовании.
В среднем пинцете нет атомов
Вышеупомянутый эксперимент вызвал «перенос атома из пинцета один в пинцет три без занятия среднего пинцета». Но что именно помешало атомам остаться в среднем пинцете?
Чтобы найти ответ на этот вопрос, нужно понять, что при прохождении через что-либо посредством туннелирования атомы ведут себя как волновые пакеты, то есть проявляют волноподобные свойства .
Во время передачи волновые пакеты атомов распространяются и перекрываются по всем пинцетам, а волны из разных частей системы интерферируют друг с другом. Исследователи предполагают, что конструктивная интерференция волн создает пики и впадины в первом и третьем пинцетах.
Однако в среднем оптическом пинцете пики и впадины нейтрализуют друг друга. Эта деструктивная интерференция делает вероятность обнаружения атома в среднем пинцете практически нулевой, что обеспечивает плавный и эффективный перенос атомов между первой и третьей ловушками.
Эти результаты свидетельствуют о том, что пинцетные массивы можно использовать в качестве платформы для проведения более интересных экспериментов, направленных на углубление наших знаний в области квантовой физики.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances .