Τρεις νανοσφαίρες από γυαλί προσκολλώνται μεταξύ τους, σχηματίζοντας ένα συσσωμάτωμα σε μορφή πύργου – παρόμοιο με το πώς θα στοίβαζε κανείς τρεις μπάλες παγωτού, αλλά σε μικροσκοπική κλίμακα. Η διάμετρος του νανοσυσσωματώματος είναι δέκα φορές μικρότερη από μια ανθρώπινη τρίχα.
Με τη βοήθεια ενός οπτικού συστήματος και ακτίνων λέιζερ, οι ερευνητές από το ETH Zurich κατάφεραν να κρατήσουν αυτά τα αντικείμενα σχεδόν εντελώς ακίνητα σε αιώρηση. Αυτό αποτελεί σημαντικό επίτευγμα για την ανάπτυξη των κβαντικών αισθητήρων, οι οποίοι –μαζί με τους κβαντικούς υπολογιστές– αποτελούν από τις πιο υποσχόμενες εφαρμογές της σύγχρονης κβαντικής φυσικής.
Η εργασία της ομάδας δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics.
Αιώρηση χωρίς βάρος, με κβαντική καθαρότητα
Κατά τη διάρκεια του πειράματος αιώρησης, οι ερευνητές με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή φωτονικής Martin Frimmer, μπόρεσαν να εξαλείψουν τη βαρύτητα που δρούσε στις γυάλινες σφαίρες. Ωστόσο, το επιμηκυμένο νανοαντικείμενο συνέχιζε να «τρέμει» – παρόμοια με τον τρόπο που κινείται η βελόνα μιας πυξίδας όταν σταθεροποιείται.
Η ταλάντωση αυτή ήταν πολύ γρήγορη αλλά ασθενής: περίπου ένα εκατομμύριο παλμικές αποκλίσεις το δευτερόλεπτο, η καθεμία μόλις λίγα χιλιοστά του βαθμού. Αυτή η μικροσκοπική περιστροφική ταλάντωση αποτελεί θεμελιώδες κβαντικό φαινόμενο, γνωστό ως κβαντική διακύμανση μηδενικού σημείου (zero-point fluctuation).
«Σύμφωνα με τις αρχές της κβαντομηχανικής, κανένα αντικείμενο δεν μπορεί να παραμένει απόλυτα ακίνητο», εξηγεί ο Lorenzo Dania, μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα του Frimmer και πρώτος συγγραφέας της μελέτης. «Όσο μεγαλύτερο είναι ένα αντικείμενο, τόσο μικρότερες είναι αυτές οι διακυμάνσεις και τόσο δυσκολότερο είναι να τις παρατηρήσει κανείς».
Ρεκόρ ακριβείας και θερμοκρασίας
Μέχρι σήμερα, κανείς δεν είχε καταφέρει να ανιχνεύσει αυτές τις κινήσεις με τόση ακρίβεια για ένα τόσο μεγάλο αντικείμενο. Αυτό επετεύχθη επειδή η ομάδα κατάφερε να εξαλείψει σχεδόν όλες τις κλασικές κινήσεις που επισκιάζουν την παρατήρηση των κβαντικών διακυμάνσεων.
Σύμφωνα με τα δεδομένα, το 92% της κίνησης του νανοσυσσωματώματος οφείλεται σε κβαντική φυσική και μόλις το 8% σε κλασική φυσική, κάτι που αποδίδουν στον υψηλό βαθμό κβαντικής καθαρότητας.
«Δεν περιμέναμε να πετύχουμε τόσο υψηλή καθαρότητα», παραδέχεται ο Dania.
Και τα ρεκόρ δεν σταματούν εδώ: το επίτευγμα αυτό πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου, χωρίς την ανάγκη ψύξης κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273°C), όπως συνήθως απαιτείται στην κβαντική έρευνα.
«Είναι σαν να φτιάξαμε ένα νέο όχημα που μεταφέρει περισσότερο φορτίο από τα παραδοσιακά φορτηγά, ενώ ταυτόχρονα καταναλώνει λιγότερα καύσιμα», λέει χαρακτηριστικά ο Frimmer.
Μικρό για την καθημερινότητα, τεράστιο για την κβαντική φυσική
Ενώ πολλοί ερευνητές μελετούν κβαντικά φαινόμενα σε μεμονωμένα άτομα ή σε μικρές ομάδες ατόμων, η ομάδα του ETH Zurich εργάζεται με συγκριτικά μεγαλύτερα αντικείμενα. Το εν λόγω συσσωμάτωμα νανοσφαιρών μπορεί να φαίνεται μικροσκοπικό, αλλά αποτελείται από εκατοντάδες εκατομμύρια άτομα, κάτι που το καθιστά γιγαντιαίο για τα δεδομένα της κβαντικής μηχανικής.
Οι ερευνητές κατάφεραν να αιωρήσουν τα νανοσωματίδια τους χρησιμοποιώντας την τεχνική του οπτικού τσιμπιδιού (optical tweezer). Σε αυτή τη μέθοδο, το σωματίδιο τοποθετείται σε κενό αέρος μέσα σε διαφανές δοχείο και ένας φακός εστιάζει πολωμένο λέιζερ στο εσωτερικό του. Εκεί, το σωματίδιο ευθυγραμμίζεται με το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ και αιωρείται σταθερά.
Ένα τέλειο ξεκίνημα για τις κβαντικές εφαρμογές
«Αυτό που πετύχαμε είναι ένα τέλειο ξεκίνημα για περαιτέρω έρευνα που κάποτε θα μπορούσε να οδηγήσει σε εφαρμογές», δηλώνει ο Frimmer.
Το πρώτο βήμα είναι ένα σύστημα με υψηλή κβαντική καθαρότητα, απαλλαγμένο από εξωτερικές παρεμβολές, του οποίου οι κινήσεις μπορούν να ελεγχθούν ακριβώς όπως επιθυμείτε. Από εκεί και πέρα, μπορεί να ανιχνευθούν κβαντομηχανικά φαινόμενα, να μετρηθούν και να αξιοποιηθούν σε κβαντικές τεχνολογίες.
Από τη σκοτεινή ύλη μέχρι τη ναυσιπλοΐα
Πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν βασική έρευνα για τη μελέτη της σχέσης μεταξύ βαρύτητας και κβαντομηχανικής, καθώς και την ανάπτυξη αισθητήρων ακριβείας για τη μέτρηση εξαιρετικά μικρών δυνάμεων – όπως αυτές που προκαλούνται από μόρια αερίων ή ακόμα και στοιχειώδη σωματίδια. Αυτό θα μπορούσε να φανεί χρήσιμο στην αναζήτηση της σκοτεινής ύλης.
«Πλέον έχουμε ένα σύστημα που είναι σχετικά απλό, οικονομικό και κατάλληλο για τον σκοπό αυτό», αναφέρει ο Frimmer.
Στο απώτερο μέλλον, τέτοιοι κβαντικοί αισθητήρες θα μπορούσαν να βρουν εφαρμογές ακόμη και στην ιατρική απεικόνιση, με στόχο την ανίχνευση αδύναμων σημάτων σε περιβάλλοντα με υψηλό θόρυβο. Μια άλλη πιθανή εφαρμογή είναι η πλοήγηση οχημάτων χωρίς την ανάγκη σύνδεσης με δορυφόρο GPS.
Για τις περισσότερες από αυτές τις εφαρμογές, το κβαντικό σύστημα θα πρέπει να μινιμαλιστεί. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτό είναι εφικτό. Σε κάθε περίπτωση, κατάφεραν να δημιουργήσουν καθαρή κβαντική κατάσταση χωρίς χρονοβόρα, δαπανηρή και ενεργοβόρα ψύξη – κάτι που μέχρι τώρα θεωρούνταν σχεδόν απαραίτητο.
Περισσότερες πληροφορίες: Κβαντική οπτομηχανική υψηλής καθαρότητας σε θερμοκρασία δωματίου, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02976-9
Πληροφορίες περιοδικού: Φυσική Φυσικής
Παρέχεται από το ETH Zurich
