فیزیکدانان برای اولین بار تأثیر نیروی کوانتومی را بر روی یک الماس بزرگ مشاهده کردند
گربه شرودینگر هنوز به‌صورت واقعی در جهان مشاهده نشده است؛ اما محققان مؤسسه فناوری اوکیناوا (OIST) در ژاپن موفق به نمایش تأثیر یک پدیده کوانتومی بر حرکت الماسی به اندازه یک سانتی‌متر گردیده‌اند.
در این تجربه، تغییر در وضعیت کوانتومی نقص‌های اتمی موجود در الماس موجب افزایش حرکت آن به میزان تقریباً ۱۰۰ نانومتر شد. این نتایج به‌خودی‌خود به معنای مشاهده رفتار کوانتومی در مقیاس اجسام بزرگ نیست، اما می‌تواند در طراحی آزمایش‌های نوآورانه برای بررسی مرز میان فیزیک کوانتومی و کلاسیک مؤثر باشد.
فیزیک کلاسیک به خوبی و به دقت رفتار اجسام بزرگ و گرانش را توضیح می‌دهد، در حالی که فیزیک کوانتوم به توصیف دنیای اتم‌ها و ذرات زیراتمی اختصاص دارد. چالش زمانی آغاز می‌شود که به دنبال سازگاری این دو نظریه با یکدیگر باشیم. بیش از یک قرن از ظهور مکانیک کوانتومی می‌گذرد و همچنان درک ما از اینکه آیا گرانش تحت قوانین کوانتومی قرار دارد یا خیر، مبهم است.
یکی از چالش‌های اصلی این است که گرانش در مقیاس ذرات به‌طرز شگفت‌انگیزی ضعیف عمل می‌کند. از طرف دیگر، رصد اثرات کوانتومی در اجسام بزرگ‌تر به هیچ عنوان ساده نیست چرا که گرما، ارتعاش و دیگر عوامل محیطی می‌توانند وضعیت‌های کوانتومی ناپایدار را مختل کنند.
طبق گزارش آی‌اف‌ال‌ساینس، آنشومان نایاک، دانشجوی دکتری در حوزه ماشین‌های کوانتومی در مؤسسه فناوری اوکیناوا و نویسنده اصلی این تحقیق، در بیانیه‌ای اظهار داشت: «به منظور بررسی ماهیت کوانتومی گرانش، لازم است اجسامی با جرم کافی را در حالت برهم‌نهی کوانتومی قرار دهیم. همچنین، این اجسام باید در محیطی خلأ نگهداری شوند تا اثر نویزهای محیطی به حداقل برسد.»
نقش الماس ناخالص در آزمایش چیست؟
برهم‌نهی کوانتومی حالتی است که در آن یک سیستم کوانتومی می‌تواند قبل از اندازه‌گیری در ترکیب چندین حالت ممکن قرار داشته باشد. ایجاد و حفظ چنین حالتی در اجسام بزرگ‌تر، به‌ویژه زمانی که گرانش مطرح می‌شود، همچنان به چالشی بزرگ تبدیل شده است.
محققان معمولاً کار خود را با اجسام بسیار کوچک آغاز کرده و به‌مرور جرم آنها را افزایش می‌دهند. اما نگهداری اجسام بزرگ به شکل معلق با استفاده از روش‌هایی مانند تله‌های نوری به هیچ وجه آسان نیست. گروه اوکیناوا رویکردی متفاوت اتخاذ کرده است: شروع با یک جسم بزرگ و بررسی آثار کوانتومی در آن.
با تغییر در سهم تأثیر اسپین کوانتومی، تغییرات حرکت الماس می‌تواند به میزان نزدیک به ۱۰۰ نانومتر افزایش یابد.
محققان در این آزمایش از الماسی به وزن ۱۲۸ میلی‌گرم بهره بردند که شامل میلیاردها مرکز نقص نیتروژن تهی‌جایی یا به‌اختصار ان‌وی (NV) بود. در این نقص‌ها، یک اتم نیتروژن جای یکی از اتم‌های کربن الماس را می‌گیرد و در نتیجه جای خالی برای یک اتم کربن باقی می‌ماند.
نقص‌های اتمی به‌عنوان ابزاری مفید برای آزمایش‌های کوانتومی شناخته می‌شوند. مرکز ان‌وی در حالت بار منفی، دارای یک حالت پایه الکترونی با اسپین یک است؛ وضعیتی که می‌توان آن را از طریق روش‌های نوری و مایکروویوی کنترل و ارزیابی کرد. به‌عبارت ساده‌تر، این مراکز همانند آهن‌رباهای بسیار کوچک هستند که می‌توان وضعیت آنها را تغییر داد و تأثیر آن را اندازه‌گیری کرد.
گروه تحقیقاتی با استفاده از الماس، گرافیت و آهن‌ربا، حرکت الماس یک‌سانتی‌متری را مورد بررسی قرار دادند. این تیم آزمایش را با لیزر روشن و همچنین با لیزر خاموش انجام داد و تغییرات حرکت الماس را با دقت بی‌نظیری ثبت کردند. نتایج این مطالعه نشان داد که با تغییر سهم تأثیر اسپین کوانتومی، جابه‌جایی الماس می‌تواند تا حدود ۱۰۰ نانومتر افزایش پیدا کند.
