Названы лауреаты Нобелевской премии по физике за 2012 год
Нобелевская премия по физике 2012 года присуждена французскому ученому Сержу Арошу и американцу Дэвиду Уайнленду, которые независимо друг от друга разработали методы наблюдения и управления отдельными квантовыми частицами.
Сложность исследования квантовых частиц заключается в том, что они теряют свою квантовую природу при взаимодействии с их окружением. Из-за этого до недавних пор ученым-физикам в своих исследованиях приходилось ограничиваться лишь мысленными экспериментами и теоретическими расчетами.
Оба ученых-лауреата работают в области квантовой оптики и изучают взаимодействие света и материи. Дэвид Уайнленд исследовал методы управления заряженными атомами (ионами) с помощью фотонов, то есть света. Серж Арош, наоборот, измерял состояние фотонов с помощью ионов.
В парижской лаборатории Ароша фотоны «запускали» в небольшую камеру с зеркальными стенками, отстоящими друг от друга на 2,7 см. Эти зеркала изготовлены из сверхпроводящего материала и охлаждены практически до абсолютного нуля, что сделало их самыми «яркими» из всех известных на сегодняшний день – один-единственный фотон, оказавшийся в камере, мог просуществовать в ней, отражаясь от зеркал и не рискуя быть поглощенным, 130 миллисекунд (дольше десятой доли секунды). За это время фотон «пробегал» (в среднем) путь длиной 40000 километров – практически «кругосветное» расстояние. Столь долгое время жизни фотона позволило осуществлять с ним квантовые манипуляции. Для своих исследований Арош использовал так называемые атомы Ридберга (водородоподобные атомы и атомы щелочных металлов, у которых электрон на внешнем уровне находится в высоковозбуждённом состоянии, вплоть до уровней n порядка 1000). Атомы Ридберга в эксперименте Ароша имели радиус 125 нанометров, то есть примерно в тысячу раз больше, чем у обычных атомов, и форму «бублика». Гигантские атомы по одному, с точно подобранной скоростью посылались в зеркальную камеру, проходя сквозь нее. Взаимодействие с фотоном изменяло фазу квантового состояния атома. То есть, если рассматривать квантовое состояние атома как волну, то взаимодействие с фотоном приводит к фазовому сдвигу - смещению гребней и впадин этой волны. Фазовый сдвиг можно измерить на выходе атома из зеркальной камеры. Наличие сдвига говорит о том, что внутри камеры есть фотон, а отсутствие – что фотона нет. Таким образом, ученому удалось определить присутствие фотона внутри камеры, не разрушая его. С помощью этого метода Арош и его коллеги смогли не только определить наличие фотонов внутри камеры, но и посчитать их количество.
В лаборатории Дэвида Уайнленда в Колорадо проводились эксперименты по захвату ионов в «ловушку» из электрических полей. Для того чтобы полностью изолировать пойманные частицы от внешних влияний, эксперименты проводились в вакууме и при экстремально низкой температуре. В нормальных условиях ион может находиться в одном из двух энергетических состояний – высоком или низком. С помощью точно подобранных лазерных импульсов ученому удалось поместить ион «между» энергетическими уровнями, так, что вероятность нахождения иона в обоих состояниях стала одинаковой. Это позволило наблюдать и исследовать квантовую суперпозицию взаимоисключающих состояний иона.
Кроме того, Уайнленд и его коллеги использовали «пойманные» в ловушку ионы для создания точнейших часов. В отличие от цезиевых атомных часов (их погрешность 1 секунда в 300 лет), которые используют СВЧ-диапазон электромагнитных волн, часы Уайнленда работают в диапазоне видимого света. Такие часы могут состоять всего лишь из одного или двух ионов, находящихся в ловушке. Если ионов два, то один из них служит «часами», а второй считывает его состояние, не разрушая его и не сбивая отсчет. Точность оптических часов такова, что если бы с их помощью можно было начать отсчет времени в момент возникновения Вселенной, то сегодня они бы отстали или ушли вперед всего лишь на несколько секунд.
