Механическая "рука" вплотную приблизилась к квантовому пределу
Кит Шваб на фоне установки. Фото с сайта www.glue.umd.edu/~kschwab/nanomechanics_group_page.htm
Новый эксперимент, поставленный в США, позволил вплотную приблизиться к обнаружению квантовых эффектов в макроскопическом объекте. Кит Шваб (Keith Schwab) и его коллеги из Агентства национальной безопасности (National Security Agency - NSA), работающие в Университете штата Мэриленд (University of Maryland), измеряли колебания крошечного наноэлектромеханического манипулятора, чтобы изучить пределы, в которых действие квантовомеханических эффектов сменяется законами классической физики. Хотя установка оказалась недостаточно чувствительной для того, чтобы проверить действие принципа неопределенности Вернера Гейзенберга (1927), все же к заветной цели удалось всерьез приблизиться, если сравнивать с предыдущими попытками. Результаты экспериментов опубликованы в журнале Science.
Согласно принципу неопределенности, мы не можем одновременно точно измерить пространственные координаты и импульс частицы (координаты и скорость частицы обратно пропорциональны друг другу). Только путем введения такого "странного" и парадоксального принципа можно правильно описать движение частиц на атомном и субатомном уровне. Например, атом водорода устойчив благодаря тому, что сила взаимного притяжения электрона и протона компенсируется отталкиванием электрона от ядра из-за неопределенности флуктуирующей скорости. Однако подчиненность принципу неопределенности поведения макроскопических объектов до настоящего времени оставалось под вопросом. Конечно, теоретически любой макроскопический объект обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами, однако экспериментальной проверке это не поддается, и поведение такого объекта описывается классической физикой.
Узнать, на самом ли деле действие принципа неопределенности распространяется на макроскопические объекты, и было основной целью американских экспериментаторов. Они намеревались это сделать, изучая движения вибрирующего механического манипулятора, изготовленного из нитрида кремния. Исследование очень важно с точки зрения новой бурно развивающейся области науки и техники - нанотехнологии, - имеющей порой дело с отдельными атомами, и создания так называемых наноэлектромеханических систем (Nano-electromechanic Systems - NEMS) поперечником порядка сотни нанометров. Точные измерения такого рода важны и в связи с надеждами на регистрацию гравитационых волн. Размер изучаемого объекта в эксперименте не превышал 8 мкм (8x10-6м) - то есть "рука" была совсем крошечной по обыденным масштабам, однако все еще оставалась макроскопическим объектом (ее масса эквивалента 1012 атомам водорода).
Исследователи поместили манипулятор на расстояние приблизительно в 600 нанометров от одноэлектронного транзистора (ОЭТ), действующего как детектор движения и соединенного с конденсаторной системой. По сути, получился простой гармонический осциллятор, только исполненный в небывалых масштабах. На установку подавали напряжение, чтобы заставить манипулятор вибрировать, и остужали ее до температуры меньше 5 милликельвинов. Охлаждение системы до таких низких температур приводило к тому, что тепловые колебания уже практически не играли никакой роли, и оставались только "нулевые" квантовомеханические колебания. Эти "нулевые" движения - прямое следствие соотношения неопределенности, которое не позволяет "руке" оставаться полностью неподвижной (иначе стали бы известны и ее точные координаты, и ее "импульс" или скорость, которая просто равнялась бы в таком случае нулю).
Когда манипулятор придвигается к детектору, а затем отодвигается от него, количество электронов, проходящих через транзистор, меняется. Измеряя этот ток, можно в принципе измерить смещение манипулятора с точностью, которая на порядок выше, чем амплитуда "нулевых" флуктуаций.
Физики NSA теперь намерены увеличить чувствительность детектора и принять меры к уменьшению тепловых колебаний в манипуляторе. Они также надеются распространить свои исследования на более крупные объекты. "Эти эксперименты касаются глубочайшей тайны современной физики: где именно квантовый мир уступает свое место миру классической физики, - говорит Шваб. - Успех при управлении квантовым состоянием механического устройства предполагает, что нет никакого четкого "водораздела" между этими двумя мирами, и позволяет нам изучать с этой точки зрения даже более крупные объекты".
Шваб надеется, что его группа сможет применить свои наработки (то есть методы, которые могут служить для считывания состояния квантовых систем) для создания квантовых компьютеров.
Квантовые компьютеры - это в настоящее время еще гипотетические механизмы, которые должны использовать необычное квантовомеханическое поведение вещества в атомной шкале (вроде суперпозиции и "запутывания") для того, чтобы выполнять некоторые типы вычислений гораздо быстрее, чем это возможно на любом мыслимом условном компьютере современного типа. Возможно, квантовые компьютеры будут важнейшим слагаемым технологии XXI столетия, однако сначала физики должны придумать, как контролировать и считывать "показания" со сложных квантовых систем с экстраординарной точностью.
Источники:
Physicists move closer to the quantum limit - PhysicsWeb
Quantum Measurement in Mechanical Systems - Laboratory for Physical Sciences - University of Maryland
Exploring the limits of Quantum Mechanics in NanoMechanical and NanoElectronic devices - Schwab Group
Ссылки:
Одноэлектронный транзистор исследует "нанозаконы" в макромире - PhysicsWeb
Электромеханический одноэлектронный транзистор - Phys.Web.Ru
Обсудить
Дословно
Группа Кита Шваба
Мы вступаем в область, где квантовые явления должны наблюдаться в механической системе. Кажется, мы находимся в начале новой экспериментальной эры, когда взаимодействие между двумя полностью квантовыми системами может быть изучено экспериментально (электрическими и механическими устройствами), что вполне может быть названо квантовой электромеханикой (quantum electro-mechanics - QEM). Мы ожидаем много удивительных и невероятных, неожиданных экспериментов в ближайшем будущем!
Статьи по теме
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Механическая "рука" вплотную приблизилась к квантовому пределу
Узнать, на самом ли деле действие принципа неопределенности распространяется на макроскопические объекты, было основной целью американских экспериментаторов. Они изучали движения вибрирующего механического манипулятора, изготовленного из нитрида кремния. Размер изучаемого объекта в эксперименте не превышал 8 мкм - то есть "рука" была совсем крошечной по обыденным масштабам, однако все еще оставалась макроскопическим объектом. Мы находимся в начале новой экспериментальной эры, когда взаимодействие между двумя полностью квантовыми системами может быть изучено экспериментально, что вполне может быть названо квантовой электромеханикой.
Обвинения в "изменах" с постоянной тонкой структуры пока не сняты
Современные теории, которые призваны объединить эйнштейновскую относительность с квантовой механикой и тем самым решить одну из сверхзадач всей современной физики, привели к шокирующему предсказанию: фундаментальные константы не только могут, но даже обязаны изменяться в пространстве и времени. Однако теперь с помощью исследования спектров отдаленных квазаров удалось наложить строгие ограничения на возможные вариации во времени одной из важнейших физических констант - постоянной тонкой структуры.
Физики надеются обнаружить изменение фундаментальных констант со временем
Две группы физиков на протяжении последних лет провели целый ряд аккуратных экспериментов в надежде обнаружить непостоянство природных констант, до сих пор считавшихся не изменяющимися со временем. До настоящего момента данные на эту тему добывались астрофизическими методами и указывали на возможность подобных вариаций.
Физики собираются проститься с килограммом
Недавно в ходе точных измерений параметров монокристалла кремния с помощью рентгеновских лучей было получено новое значение для числа Авогадро. Эта работа проходила в рамках международной программы, направленной на пересмотр эталона килограмма. Килограмм решено определить в терминах атомных и фундаментальных констант, как и все остальные системные единицы. Тем более, что нынешний материальный эталон килограмма, от которого в конечном счете зависит точность измерений во всем мире, постепенно испаряется и теряет массу.
"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах
Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".
Впервые удалось измерить скорость гравитации
Впервые с приемлемой точностью удалось измерить скорость гравитации. Измерялось небольшое видимое изменение позиции квазара, вызванное изгибом пути радиоволн от этого источника в поле тяготения Юпитера. Результат важен с точки зрения "закрытия" некоторых вариантов современных теорий и поддержки других - он связан с космологическими теориями множественных вселенных и так называемой теории струн или суперструн.
Постоянство гравитационной постоянной G под сомнением
Новый эксперимент швейцарских физиков, поставленный для уточнения значения гравитационной постоянной G, прибавил весомости довольно спорной теории, согласно которой на силу гравитации оказывает влияние магнитное поле Земли.
Получен первый "очарованный" пентакварк
Физики из немецкой лаборатории DESY обнаружили новый экзотический тип субатомных частиц - первый пентакварк, имеющий в своем составе "чармированный" (или "очарованный" - charm) кварк. Свидетельство существования такого "чармированного пентакварка" с массой около 3,1 ГэВ нашла международная коллаборация H1 в ходе экспериментов по электрон-протонным столкновениям на ускорителе HERA.
Физики доказали, что рукописи не горят
Известный популяризатор науки и специалист по черным дырам Стивен Хокинг на пару с Кипом Торном, по всей видимости, проспорил Джону Прескиллу полное собрание томов Британской энциклопедии. В 1997 году эти три космолога заключили между собой ставшее вскоре широко известным пари относительно того, исчезает или нет информация, поглощаемая черными дырами вместе с материальными носителями, то есть меняется ли вообще внутреннее состояние черной дыры в зависимости от конкретных характеристик частиц, которые ею поглощены.
Замаскированная квантовая почта может объяснить молчание внеземных цивилизаций
Если внеземные цивилизации действительно существуют и при этом не являются исключительной редкостью, то почему мы так и не смогли до сих пор получить от них никаких сигналов? Два физика объясняют эту ситуацию исключительной осторожностью инопланетян. При этом они считают, что есть возможность отправлять сигналы, не открывая своего местоположения.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
В эксперименте впервые наблюдался обратный эффект Доплера
Существование предсказанного еще в 40-х годах прошлого века так называемого обратного доплеровского эффекта было впервые подтверждено экспериментально. Британские исследователи признают, что их результаты в какой-то мере противоречат обычному здравому смыслу, однако утверждают, что все это может найти реальное применение в медицинских источниках излучения и в телекоммуникационной технике.
Физики открыли "мятежную" субатомную частицу
На линейном ускорителе в Стэнфорде идентифицировали новую субатомную частицу Ds (2317). Эта частица представляет из себя необычный "сплав" "очарованного" кварка и "странного" антикварка. Ее масса оказалась существенно ниже, чем можно было бы ожидать. В качестве альтернативы рассматривается и такая возможность: частица могла бы быть в новом, до настоящего времени невиданном состоянии - ассоциация четырех кварков.
Новый кварктет: субатомные причуды в семействе пентачастиц
Удалось обнаружить никогда прежде не виданную элементарную частицу, составленную из пяти кварков и антикварков. Случаи рождения приблизительно 40 частиц нового типа были выявлены при анализе миллионов протон-протонных столкновений на сверхмощном протонном синхротроне в CERN. Это свидетельство в пользу существования ранее теоретически предсказанного целого семейства таких частиц.
Обнаружены первые "молекулы" среди мезонов
X(3872) не сообразуется ни с одной из известных схем, описывающих структуру субатомных частиц, и теоретики теперь стоят перед непростой дилеммой: либо вносить существенные поправки в привычную и хорошо себя зарекомендовавшую Стандартную модель элементарных частиц, либо признать, что мы имеем дело с неведомым типом мезона, который содержит четыре кварка - тетракварком.
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
Мезоны устраивают "похороны" классической физике
Хорошо известные в квантовой механике неравенства Белла впервые были проверены в эксперименте с участием высокоэнергетичных частиц в лаборатории KEK в Японии. Причем именно нарушение этих знаменитых неравенств и является серьезным аргументом в пользу истинности современного понимания квантовой теории и позволяет "похоронить" так называемые "теории скрытых параметров", в определенном смысле привязанные к классической физике.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
В космос отправятся пряничные корабли
Кремниевый микроробот величиной в половину диаметра человеческого волоса, снабженный "ножками" из живой сердечной мышцы, начал ползать по лаборатории Лос-Анджелеса. Это первый случай, когда удалось использовать мускульные усилия для движения микромеханического устройства. Теперь предполагается спроектировать работающий на мускульной энергии микромеханизм, который сможет искать и латать пробоины от микрометеоритов на космических кораблях.
"Эффект бабочки": машина времени и Интернет
"Эффект бабочки" прочно ассоциируется не только с фантастической посылкой Эдварда Лоренца, но и с одним из самых знаменитых рассказов Рэя Брэдбери, который посвящен путешествиям во времени. Ученые-компьютерщики из Корнельского университета решили "перекинуть мостик" от атмосферных исследований и машины времени к сегодняшнему миру Интернета, транснациональных корпораций, терроризма и пандемий. Вопрос об "баттерфляй-эффекте" может быть перефразирован тогда следующим образом: "Может ли единственный "мессидж" по электронной почте из Бразилии вызвать поток необратимых событий в штате Техас?"
Электронный Брат или Брут?
Компьютер на вашем столе - это только помощник. Он позволяет посылать электронную почту, осуществлять "серфинг" по Сети и даже оплачивать счета. Но вскоре он может стать другом... очень близким другом. И даже Братом... Специалисты из Sandia Lab объединяют с помощью компьютера мозги отдельных людей в единую систему.
В Sandia Labs разработана "машина познания"
Новый тип "разумной" машины, которая может в самое ближайшее время существенно изменить процесс общения людей с компьютерами, разработан в национальной лаборатории Министерства энергетики США Sandia Labs. Речь идет ни много ни мало как о создании "синтетического человека", то есть пресловутого искусственного интеллекта.
Когда сказка станет пылью... (Нанотехнологии: революция начинается)
В самые ближайшие годы произойдет технологическая революция, в результате которой мы обзаведемся портативными мощными хранилищами памяти, всевидящими глазами и всеслышащими ушами, невидимыми помощниками, готовыми исполнить любую прихоть, и к тому же станем практически бессмертными.
Наномандала принесет в мир нанотехнологий буддистское счастье
Организованное взаимодействие отдельных атомов в нанотехнологии имеет некоторое сходство с картинами, возникающими под руками трудолюбивых буддистских монахов, создающих из цветного песка в ходе специальных таинств так называемые песочные мандалы. Цели и методы создания такой мандалы в восточных и западных культурах, конечно, довольно сильно различаются.
Новости по теме
