Lähes vuosisadan ajan fyysikot ovat yrittäneet sovittaa yhteen värähtelyjen vaimenemisen ja kvanttimaailman asettaman perustavanlaatuisen epävarmuuden. Kaksi amerikkalaista tutkijaa on vihdoin onnistunut siinä.
Sisällysluettelo
Vaimeneva kvanttiosillaattori: vuosisata sitten syntynyt pulma
Yli vuosisata sitten brittiläinen fyysikko Horace Lamb kiinnostui tunnetusta fysikaalisesta ilmiöstä: värähtelevän hiukkasen energian menetyksestä kiinteässä ympäristössä.
Sitten hän kehitti mallin, jota käytetään vielä tänäkin päivänä: hiukkasen tuottamat aallot hidastavat sen liikettä , kuten kitaran kieli tai keinut. Tämä malli, jota kutsutaan vaimenevaksi harmoniseksi oskillaattoriksi , on toiminut perustana monille tutkimuksille.
Kuitenkin heti, kun siirrymme atomitasolle, klassiset säännöt lakkaavat toimimasta . Kvanttifysiikka sanelee omat lakinsa. Erityisesti Heisenbergin epätarkkuusperiaate estää tuntemasta samanaikaisesti hiukkasen tarkkaa sijaintia ja liikemäärää.
Lähes 90 vuoden ajan fyysikot yrittivät tuloksetta soveltaa Lambin mallia kvanttimaailmaan rikkomatta näitä peruslakeja.
Läpimurto mahdollistaa vihdoin kvanttimallin vaimenevasta oskillaattorista
Tämän historiallisen esteen poistivat Dennis Klogerty ja hänen entinen opiskelijansa Nam Dinh , joka työskentelee Vermontin yliopistossa .
He julkaisivat 7. heinäkuuta 2025 tarkan ratkaisun vaimenevan kvanttioskillaattorin ongelmaan Physical Review Research -lehdessä. Tämä saavutus on tärkeä teoreettinen harppaus ymmärryksessämme dissipatiivisesta käyttäytymisestä atomitasolla.
Tämän tuloksen saavuttamiseksi he käyttivät monimutkaista matemaattista menetelmää: Bogoliubovin monimoodimuunnosta. Tämä menetelmä mahdollistaa värähtelyjen esittämisen kvantti viritysten yhdistelmänä, joita kutsutaan bogolyuboneiksi .
Tätä formalismia käyttämällä he osoittivat, että järjestelmän perustila on ”monimoodinen tiivistetty tyhjiö” — kvanttitila, jossa sijainnin epätarkkuus pienenee ja impulssin epätarkkuus kasvaa.
He osoittivat myös, että tämä kvanttimalli vastaa tuloksia, joita on havaittu kokeellisissa dissipatiivisissa järjestelmissä.
Tämä tiivis yhteys teorian ja kokeellisten havaintojen välillä vahvistaa heidän löytönsä merkityksen. Lisäksi tämä tarkka ratkaisu avaa tien luotettavampaan monimutkaisten kvanttijärjestelmien mallintamiseen.
Lupaava edistys huipputarkkojen mittaustekniikoiden alalla
Tämä erityinen kvanttitila ei ole pelkkä teoreettinen käsite. Tutkijat käyttävät sitä jo huipputarkkoissa metrologisissa laitteissa , kuten LIGO-gravitaatioaaltojen ilmaisimissa . Nämä laitteet mittaavat etäisyyksien muutoksia, jotka ovat tuhansia kertoja pienempiä kuin atomin ytimen koko .
Näin ollen näiden tilojen tarkempi ymmärtäminen avaa mahdollisuuksia herkkyyden fysikaalisten mittausten edelleen parantamiseen.
Lisäksi tämä läpimurto luo uuden teoreettisen perustan energian hajaantumisen tutkimiselle kvanttimekaniikassa – ilmiölle, joka on keskeisessä asemassa monilla fysiikan aloilla kvanttioptiikasta molekyylikemiaan. Se voi myös vaikuttaa tulevien kvanttianturien kehittämiseen, jotka ovat vakaampia ja tehokkaampia.
Tämä historiallinen harppaus kvanttifysiikassa merkitsee tärkeää askelta kohti mikroskooppisen maailman parempaa ymmärtämistä ja luo vankan sillan klassisen mekaniikan ja äärettömän pienten suureiden lakien välille.
