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“世界上最薄的鏡子” 探測宏觀世界量子

2016-06-01 15:55:03 來源: 《科學美國人》中文版《環球科學》 舉報
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核心提示:這薄膜的厚度只相當于DNA寬度的8倍多一點,這些薄膜是世界上在室溫下最好的壓力傳感器,它們靈敏到足以測量兩個相距100千米的人之間的引力。

(原標題:“世界上最薄的鏡子”有望助人探測宏觀世界的量子現象)

觀測宏觀物體的量子效應是物理學一大熱點,新材料有望讓物理學家在室溫下進行此類實驗。 

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圖為激光耦合薄膜的藝術假想圖。周期性的紋路使得薄膜有高反射率,而極小的厚度使得它可以有超低的機械損耗。圖片來源:Felix Fricke

像電子和原子那樣微小的物體,它們的行為遵循量子力學,有著疊加態、糾纏和隱形傳輸等量子效應。宏觀物體(比如咖啡杯)能否表現出這種量子行為,是現代科學最為有趣的問題之一。而在觀測室溫宏觀物體量子效應這一領域,來自代爾夫特理工大學的科學家有了新進展。他們創造了一種高反射率的薄膜,肉眼可見,并且可以在室溫下振動而幾乎沒有能損。這種薄膜將成為觀測宏觀物體量子效應的有力候選者。該團隊在《物理評論快報》上發表了相關結果。

“想象你推了一把操場上的秋千。現在再想象下,你的這一推可以讓秋千不停歇地搖十年。我們在硅片上創造了一個類似的毫米尺度的秋千。”代爾夫特理工大學科維理納米科學研究所的Simon Gröblacher教授說。

“為了達到這個目的,我們在硅片上沉積了超薄的陶瓷膜。這樣,我們可以在毫米尺度的附著薄膜上創造出百萬磅/平方英寸的拉伸應力,這相當于10000倍的汽車輪胎壓強,而這薄膜的厚度只相當于DNA寬度的8倍多一點”,這篇論文的第一作者Richard Norte解釋道,“它們存儲的巨大能量和超薄的幾何尺度,意味著這些薄膜能夠在時間極長的振動過程中只損失非常小的能量。”

為了用激光有效地監測薄膜的振動,這些薄膜需要有極高的反射率。而對于如此薄的結構,要想實現這點,就要通過在薄膜上刻蝕微觀紋路來制作一種超材料(meta-material)。“我們實際上做出了最薄的鏡子,它有著超過99%的反射率。事實上,這些薄膜是世界上在室溫下最好的壓力傳感器,它們靈敏到足以測量兩個相距100千米的人之間的引力,” Richard Norte表示。

“高反射率再加上極端絕熱,薄膜的這些特性使得我們第一次可以克服在室溫下探測宏觀物體量子效應的障礙,”Gröblacher說。因為即使非常小的振動也足以加熱和破壞宏觀物體脆弱的量子特性(這個過程稱為退相干),所以研究者依賴低溫實驗系統來冷卻他們的量子設備,并隔絕來自周圍環境的熱量。對物理學家而言,如何創造一種在常溫下能夠抵御退相干的量子振蕩器,仍是一個難以實現的壯舉。

從基本理論的角度來看,這十分有趣。量子力學最詭異的預言之一是物體能夠同時出現在兩個地方。這樣的量子“疊加態”現在已經在電子或原子這樣極小的層面上被證實,我們現在知道量子理論完美地適用于這個尺度。

但是量子力學也告訴我們,類似的規則對于宏觀物體也應該適用:一個咖啡杯可以同時在桌上和洗碗機里,或者薛定諤的貓可以處在既死又活的量子疊加態上。而咖啡杯既干凈又滿是污垢,貓既死又活,這并不是我們日常生活中見到的情景。在實驗中證明一只貓在室溫下既死又活仍然是量子力學的一個有待解決的問題。這項研究的進展或許使得我們最終能夠在日常生活的尺度和溫度下觀測到“量子貓”。

翻譯:王凌霄

審校:王微曉

原文鏈接:http://phys.org/news/2016-04-scientists-quantum-physics-real-life.html

冷娜 本文來源:《科學美國人》中文版《環球科學》 責任編輯:冷娜_NN5073
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