| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Nanočástice jako kvantové senzory
Petr Kulhánek
V posledních letech zažíváme obrovský boom kvantových technologií. Měření, která byla dosud nemožná, se stávají skutečností a objevují se senzory schopné měřit s přesností o několik řádů vyšší než veškerá dosavadní zařízení. Superpozice stavůSuperpozice stavů – pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je možná i superpozice těchto stavů. Například kvantově mechanická kočka nemusí být jen živá nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Takový stav značíme a|Ž⟩+b|M⟩, kde a a b jsou čísla vyjadřující váhu. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, s pravděpodobností |a|2 ji najdeme živou a s pravděpodobností |b|2 mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů (kočka, člověk) komunikujících s okolím je nemožná. a provázanostProvázaný stav – entanglement, kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Značíme |AB>+|XY>, což znamená, že najdeme-li první částici ve stavu A, je druhá ve stavu B. Je-li první ve stavu X, pak druhá je ve stavu Y. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených stavech. se z exotických jevů kvantového světa přesunuly nejenom do slovníku stále častěji používaných pojmů, ale zejména se staly vítanými pomocníky naší civilizace. Nedávno se ukázalo, že nanočástice držené optickou pinzetouOptická pinzeta – laserové zařízení pro manipulaci s průsvitnými mikroskopickými objekty. Fokusovaný laserový paprsek vytváří optickou past, ve které lze objekt držet jako v pinzetě. Posunováním paprsku se přemísťuje i vybraný objekt. Laserový paprsek vytváří malou sílu (obvykle v řádu piconewtonů), v závislosti na relativním indexu lomu mezi částicemi a okolním médiem. K optické levitaci dochází tehdy, pokud síla světla překoná gravitační sílu. Zachycené částice mají obvykle velikost mikronů nebo menší. v optické rezonanční dutině dokážou nelineárně interagovat s polem dutiny a stát se extrémně citlivými na vnější podněty, což je předurčuje k tomu, aby se v blízké budoucnosti staly novou generací senzorů s unikátními schopnostmi.
Nanočástice v optické mikrodutině – základ nové generace velmi citlivých senzorů.
Zdroj: IQOQI, Innsbrucká univerzita.
|
Kvantový stav – soubor pozorovatelných parametrů kvantového systému, kterými je systém plně charakterizován. Popis stavu musí respektovat omezení kvantové mechaniky na současnou měřitelnost či neměřitelnost veličin. Například základní energetický stav atomu značíme symbolem |S>, vakuový stav symbolem |0>, živou kočku označíme |Ž>, mrtvou kočku |M> a podobně. Kvantový stav je zpravidla charakterizován sadou kvantových čísel a je matematicky vyjádřen tzv. vlnovou funkcí (prvkem Hilbertova prostoru stavů). Provázaný stav – entanglement, kvantově korelovaný stav systému dvou a více částic, v němž nemá smysl mluvit o stavech jednotlivých složek. Například z provázaného stavu dvojice fotonů nelze vyjádřit stavy jednotlivých fotonů. Značíme |AB>+|XY>, což znamená, že najdeme-li první částici ve stavu A, je druhá ve stavu B. Je-li první ve stavu X, pak druhá je ve stavu Y. Měřením provedeným na jedné částici se dozvíme určitou informaci o částici druhé. Je to způsobeno tím, že mají společnou minulost. Někdy se také hovoří o propletených stavech. Superpozice stavů – pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je možná i superpozice těchto stavů. Například kvantově mechanická kočka nemusí být jen živá nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Takový stav značíme a|Ž⟩+b|M⟩, kde a a b jsou čísla vyjadřující váhu. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, s pravděpodobností |a|2 ji najdeme živou a s pravděpodobností |b|2 mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů (kočka, člověk) komunikujících s okolím je nemožná. Optická pinzeta – laserové zařízení pro manipulaci s průsvitnými mikroskopickými objekty. Fokusovaný laserový paprsek vytváří optickou past, ve které lze objekt držet jako v pinzetě. Posunováním paprsku se přemísťuje i vybraný objekt. Laserový paprsek vytváří malou sílu (obvykle v řádu piconewtonů), v závislosti na relativním indexu lomu mezi částicemi a okolním médiem. K optické levitaci dochází tehdy, pokud síla světla překoná gravitační sílu. Zachycené částice mají obvykle velikost mikronů nebo menší. |
Nanočástice v pasti
Interakci kulových křemíkových nanočástic s rozměrem cca 100 nanometrů s elektromagnetickým polem v optické rezonanční dutině zkoumali vědci z IQOQIIQOQI – Institute for Quantum Optics and Quantum Information, Institut kvantové optiky a kvantových informací. Vědecký ústav, který patří pod Rakouskou akademii věd. Byl založený v roce 2003 a sdružuje vědecké skupiny z Innsbrucké univerzity a z Vídeňské univerzity. V současnosti do obou skupin patří přibližně 80 vědců. (Rakousko) a z ETHETH – prestižní švýcarská polytechnika, na které působil mj. Albert Einstein. Zkratka ETH znamená Eidgenössische Technische Hochschule (Spolková vysoká technická škola). Univerzita byla založena v roce 1855, nyní má dvě části: v Curychu (ETHZ) a v Laussane (ETHL). S univerzitou je spojeno 26 nositelů Nobelových cen. (Švýcarsko). Rakouskou skupinu vede profesor Oriol Romero-Isart a švýcarskou profesor Romain Quicant. Nanočástice jsou drženy v minimu potenciálu, kde vykonávají harmonické kmity a v prvním přiblížení se chovají jako harmonický oscilátor. Nanočástice nelineárně interagují s elektromagnetickým polem v dutině. Takovou interakci si můžeme představit jako srážky nanočástic s fotony. V dřívějších experimentech se různé skupiny vědců snažily potlačit teplotní fluktuace nanočástic, tedy ochladit je natolik, aby byl poměr užitečného signálu k šumu co možná nejmenší. Při experimentech tohoto druhu se často objevovaly dynamické nestability, které měření znehodnocovaly. Skupina z IQOQI a ETH ukázala, že tyto nestability nemusí být jen na obtíž, ale lze je dokonce využít ke stlačení nanočástic ve fázovém prostoru.
Princip experimentu. Nanočástice levituje v poli optické pinzety s výkonem Pt a frekvencí ωt. Je umístěna v uzlu optické rezonanční dutiny velikosti Lc, rezonanční frekvence ωc a s rozpadovým poměrem κ. Nanočástice je zachycena v potenciálové pasti parabolického tvaru, v níž vykonává kmity s frekvencí Ω. Parametr popisující vazbu mezi fotony a nanočásticí je označen g. Ohřev nanočástice způsobený zpětným rázem při interakci s fotony je popsán parametrem Γ. Zdroj: IQOQI, Innsbrucká univerzita, ETH, PRL.
V klasické mechanice se popisuje stav systému jeho polohou a rychlostí. Pro bodový objekt jde o šestici parametrů, které se vyvíjejí s časem. Existuje řada důvodů pro to, aby se namísto rychlosti používala hybnost částice (součin hmotnosti a rychlosti). Jedním z nich je pohybová rovnice – časová změna hybnosti je rovna působící síle (tedy časová změna se týká jak hmotnosti, tak rychlosti částice), pro rychlost takové tvrzení neplatí. Důvodů pro preferování hybnosti je mnohem více, ať už pramení z teoretické mechaniky, statistické fyziky nebo kvantové teorie. Nemusíme se omezovat na kartézské souřadnice. Každému parametru, který popisuje systém (polohy, úhly, plochy atd.) lze přiřadit v teoretické mechanice jak rychlost (časovou změnu daného parametru), tak hybnost. Pro nekartézské proměnné hovoříme o přidružené hybnosti nebo o zobecněné hybnosti. V kvantové teorii pak mezi daným parametrem a jeho přidruženou hybností platí Heisenbergovy relace neurčitostiRelace neurčitosti – v mikrosvětě není možné současně změřit polohu a hybnost objektů. Změření jedné veličiny naruší měření druhé veličiny. Čím přesněji zjistíme polohu, tím menší informaci budeme mít o hybnosti a naopak. Jde o principiální zákonitost kvantového světa, která souvisí s nekomutativností veličin na elementární úrovni. Relace neurčitosti objevil Werner Heisenberg. Stejné relace platí také mezi energií a časovým intervalem. Ve vakuu mohou po velmi krátkou dobu vznikat ve shodě s relacemi neurčitosti fluktuace (objekty) o určité energii. Čím vyšší energie, tím kratší doba života těchto fluktuací. Dále relace platí i pro jakoukoli zobecněnou souřadnici a její hybnost. Může jít například o nějaké pole, které nemůže mít současně nulovou hodnotu a nulovou hybnost, což vede k jeho vakuovým fluktuacím.. Čím přesněji určíme daný parametr, tím méně přesná bude informace o přidružené hybnosti a naopak. Obě veličiny nelze nikdy změřit současně s libovolnou přesností.
Časový vývoj parametrů můžeme vykreslovat jak pro parametry samotné (pak hovoříme o trajektorii systému), tak současně pro parametry i jejich přidružené hybnosti. Pak hovoříme o fázové trajektorii, kterou zakreslujeme ve fázovém prostoru (má 2N os, – N pro parametry a N pro přidružené hybnosti). V kvantové teorii je fázová trajektorie „rozmazaná“, známe jen pravděpodobnosti výskytu částice v daném místě fázové trajektorie. Představme si jen jednorozměrný problém (1 souřadnice, 1 hybnost). V důsledku relací neurčitostiRelace neurčitosti – v mikrosvětě není možné současně změřit polohu a hybnost objektů. Změření jedné veličiny naruší měření druhé veličiny. Čím přesněji zjistíme polohu, tím menší informaci budeme mít o hybnosti a naopak. Jde o principiální zákonitost kvantového světa, která souvisí s nekomutativností veličin na elementární úrovni. Relace neurčitosti objevil Werner Heisenberg. Stejné relace platí také mezi energií a časovým intervalem. Ve vakuu mohou po velmi krátkou dobu vznikat ve shodě s relacemi neurčitosti fluktuace (objekty) o určité energii. Čím vyšší energie, tím kratší doba života těchto fluktuací. Dále relace platí i pro jakoukoli zobecněnou souřadnici a její hybnost. Může jít například o nějaké pole, které nemůže mít současně nulovou hodnotu a nulovou hybnost, což vede k jeho vakuovým fluktuacím. bude platit, že čím menší je rozmazání v jedné ose, tím větší je v druhé ose. Pro základní stav (nejnižší možnou energii) částice vykonává tzv. nulové kmity či nulový pohyb (ZTM, Zero Time Motion). Částice totiž nemůže být v klidu, protože bychom znali jak její hybnost (energii), tak polohu, což není možné. Při nulovém pohybu se částice chová nelokálně, je „přítomna“ v určité přesně dané oblasti. Skupina vědců z IQOQIIQOQI – Institute for Quantum Optics and Quantum Information, Institut kvantové optiky a kvantových informací. Vědecký ústav, který patří pod Rakouskou akademii věd. Byl založený v roce 2003 a sdružuje vědecké skupiny z Innsbrucké univerzity a z Vídeňské univerzity. V současnosti do obou skupin patří přibližně 80 vědců. a ETHETH – prestižní švýcarská polytechnika, na které působil mj. Albert Einstein. Zkratka ETH znamená Eidgenössische Technische Hochschule (Spolková vysoká technická škola). Univerzita byla založena v roce 1855, nyní má dvě části: v Curychu (ETHZ) a v Laussane (ETHL). S univerzitou je spojeno 26 nositelů Nobelových cen. ukázala, že se fázová trajektorie nanočástice (v minimu potenciálu, kde je udržována, se chová jako harmonický oscilátor) v důsledku dynamických nestabilit stlačuje a v prostorové oblasti se dokonce dostane o řád pod hodnotu nulového pohybu. To je samozřejmě možné jen za cenu rozmytí fázové trajektorie v odpovídající hybnosti – jedině tak zůstanou v platnosti relace neurčitosti (viz obrázek). Trajektorie je ve fázové prostoru stlačena pod určitým úhlem (viz obrázek), kterému říkáme úhel stlačení. Nanočástice se stlačenou fázovou trajektorií jsou extrémně citlivé na vnější podněty, například gravitační pole nebo zrychlení. Lze je tedy použít jako mimořádně citlivé senzory v budoucích zařízeních. Připomeňme si, že na počátku 21. století konal francouzský fyzik Serge Haroche experimenty, v nichž jako senzor pro přítomnost fotonů sloužily Rydbergovy atomyRydbergův atom – atom excitovaný do vysokého hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Rydbergovy atomy jsou velmi citlivé na okolní elektrická a magnetická pole. Elektronová vlnová funkce může být u některých superpozic stavů těchto atomů aproximována klasickým pohybem elektronu po kružnici. Vysoce excitované atomy jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919). v superpozici stavůSuperpozice stavů – pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je možná i superpozice těchto stavů. Například kvantově mechanická kočka nemusí být jen živá nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Takový stav značíme a|Ž⟩+b|M⟩, kde a a b jsou čísla vyjadřující váhu. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, s pravděpodobností |a|2 ji najdeme živou a s pravděpodobností |b|2 mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů (kočka, člověk) komunikujících s okolím je nemožná. (viz AB 38/2012), nejde tedy o zcela nový směr vědeckého bádání.
Stlačení fázové trajektorie ve fázovém prostoru v důsledku
dynamických nestabilit.
Zdroj: IQOQI, Innsbrucká
univerzita, ETH, PRL.
Nové senzory
Podobný výzkum jako výše uvedená skupina z IQOQIIQOQI – Institute for Quantum Optics and Quantum Information, Institut kvantové optiky a kvantových informací. Vědecký ústav, který patří pod Rakouskou akademii věd. Byl založený v roce 2003 a sdružuje vědecké skupiny z Innsbrucké univerzity a z Vídeňské univerzity. V současnosti do obou skupin patří přibližně 80 vědců. a ETHETH – prestižní švýcarská polytechnika, na které působil mj. Albert Einstein. Zkratka ETH znamená Eidgenössische Technische Hochschule (Spolková vysoká technická škola). Univerzita byla založena v roce 1855, nyní má dvě části: v Curychu (ETHZ) a v Laussane (ETHL). S univerzitou je spojeno 26 nositelů Nobelových cen. dělá řada dalších pracovišť po celém světě, vývoj nanočásticových senzorů je velmi aktuální záležitostí. Ve Velké Británii byla dokonce založena společnost Zero Point Motion, která si za hlavní cíl klade vývoj detektorů s kvantovými senzory a zkoumá mj. vlastnosti nanočástic v optické rezonanční dutině, včetně jejich nelineární interakce s fotony. Dalším je výzkumné centrum NQIT (Networked Quantum Information Technologies), opět z Velké Británie. Toto centrum je zaměřeno na vývoj pevnolátkových qubitů pro kvantové počítače, ale v rámci svého vědeckého výzkumu se mj. také zabývá nanočásticemi v mikrodutině. Cílem současného snažení je přivést nanočástice do provázaného stavu. Nové senzory založené na nanočásticích pracují ideálně v prostředí mikrogravitace, jsou tedy jakoby předurčeny pro využití na kosmických sondách i na oběžné dráze Země. Nové senzory by se ale mohly uplatnit i u autonomních vozidel při měření aktuálního zrychlení, jako detektory otřesů a v internetu věcí. Předpokládá se i využití v medicíně, a to při výzkumu a separaci virů, které nejsou v jistém ohledu ničím jiným než nanočásticemi.
Využití nelineární interakce nanočástic s fotony při výzkumu a třídění virů
v tekutině.
Zdroj: YT, vizualizace: Karl G.
Nyman.
Odkazy
- Katja Kustura et al.: Mechanical Squeezing via Unstable Dynamics in a Microcavity; Phys. Rev. Lett. 128 (2022) 143601; ArXiv
- Isabelle Dumé: Microcavity could make a platform for quantum sensing; Physics World, 28 May 2022
- Katja Kustura: Microcavities as a sensor platform; Universität Innsbruck, 7 Apr 2022
- A. A. P. Trichet et al.: Optical Microcavities for Sensing Nanoparticles; NQIT, 14 Oct 2016
- Eric Bittner: What is the meaning of zero-point motion?; Quora, 20 Oct 2017
- Crunchbase: Zero Point Motion (organization)
- Universität Wien: Quantum Photonics (group)
