Spiny v diamantu vrhly nové světlo na jednu z největších záhad fyziky – přechod mezi kvantovým a klasickým světem.
Němečtí a američtí fyzici využili NV (nitrogen-vacancy) centra v diamantu, aby vůbec poprvé demonstrovali fungování tzv. „kvantového darwinismu“. Nejde o chybu ani fantazii, ale o nový obor, který by měl objasnit, jak nejsilnější stavy systému (stavy v nejlepší kondici) přežívají a šíří se v oblasti přechodu mezi kvantovým a klasickým světem.
V minulosti měli vědci za to, že klasický svět je oddělen od toho kvantového strmou bariérou, která vytváří zásadní rozdíly mezi nám dobře známou makroskopickou (klasickou) oblastí a méně známou mikroskopickou (kvantovou). V průběhu posledních desetiletí se ale tento pohled změnil. Řada fyziků zastává názor, že přechod mezi dvěma světy je plynulý a že jednoznačné, konkrétní klasické stavy, které měříme, přecházejí z pravděpodobnostních kvantových stavů postupně (i když velmi rychle) a ztrácejí svou konzistentnost (koherenci) spolu se stále větší provázaností s okolím.
Podle Wojciecha Zurka z Los Alamos National Laboratory jsou klasické stavy, které vnímáme, vlastně odolnými kvantovými stavy, které dokázaly přežít provázání během dekoherence. Polský fyzik přitom vychází z předpokladu, že informace o těchto stavech se bude mnohokrát opakovat a šířit prostředím. Pro tento jev zavedl termín „kvantový darwinismus“.
Podobně jako v přirozeném výběru musí přežít nejodolnější jedinec, který se bude reprodukovat ve velkém počtu, a umožní tak evoluci, nejodolnější kvantové stavy se zkopírují a budou se jevit klasicky. Tato nadpočetnost (redundance) znamená, že když bude velký počet pozorovatelů měřit nějaký daný stav se stejnou hodnotou, dostáváme se k objektivní realitě.
Tým vědců z USA a Německa se teorii pokusil ověřit. Vědci se soustředili na tzv. NV centra, která vzniknou, když se dva sousední atomy uhlíku v krystalografické mřížce diamantu nahradí atomem dusíku a sousední vakancí. Atom dusíku má jeden elektron navíc, který zůstane nespárovaný. Chová se jako izolovaný spin a může být zkoumán osvětlováním diamantu laserovým zářením a měřením vzniklé fluorescence.
Členové skupiny se rozhodli monitorovat, jak NV spin interaguje se spiny několika sousedních uhlíkových atomů. Většinu uhlíku v diamantu tvoří uhlík−12, který má nulový spin, ale přibližně 1 % jsou atomy uhlíku–13 s jaderným spinem (výsledný moment hybnosti atomového jádra).
V rámci experimentu vědci zkoumali interakci NV spinu s průměrně čtyřmi atomy uhlíku–13, které jsou vzdálené přibližně 1 nanometr. Spiny uhlíku–13, které slouží jako okolí, jsou sice příliš slabé na to, aby interagovaly navzájem, ale způsobují dekoherenci v NV spinu. Tento proces zahrnuje přeměnu spinů uhlíku–13 a vytvoření nových kvantových stavů, které závisejí na stavu NV spinu.
Vědci použili zelený laser a ozářili jím NV spiny ve vzorku diamantu milimetrové velikosti. Poté změřili fotony emitované jako mikrovlnná a radiofrekvenční pole. Protože nebylo možné pozorovat spiny uhlíku–13 přímo, vědci tyto spinové stavy převedli na NV spiny a zopakovali fluorescenční měření. Tento zdánlivě protismyslný postup mohli provést díky tomu, že všechny tři kroky v experimentu - příprava spinových stavů, dekoherence a měření - byly spolehlivě separovány v čase.
Po provedení těchto kroků nalezli předpovězenou redundanci (nadbytečnost). Měřením spinu právě jen jednoho jádra uhlíku–13 a mnohonásobným opakováním experimentu se zjistilo, že je možné správně vyvodit většinu vlastností NV spinu po většinu času. Vědcům se tak podařilo poprvé laboratorně demonstrovat kvantový darwinismus v činnosti v přirozeném prostředí.
Termín „přirozený“ se podle Fedora Jelezka z univerzity v Ulmu, který tým vedl, vztahuje k faktu, že spinová dekoherence v pevných látkách se obvykle objevuje jako výsledek magnetické interakce s jadernými spiny.
Vědci teď chtějí co nejvíce zvětšit měřítko experimentu. Dostat se do blízkosti rozměrů makroskopických objektů se jim však nejspíš nepovede, i kdyby šlo jen o prachovou částici.
Podobné experimenty nedávno provedly další dvě další skupiny, jedna z Itálie a druhá z Číny. Použily přitom polarizaci fotonů a jejich experimenty rovněž prokázaly hledanou nadbytečnost. Kvantový darwinisnus tak už není pouhou hračkou.
Teoretičtí fyzici tvrdí, že poslední experimenty nabízejí pouze schematickou verzi toho, z čeho se reálné prostředí skládá. Jiné přístupy by mohly otevřít zásadní pohled na vznik klasické reality. Například španělští a švédští fyzici ukázali, jak provést měření na zachycených iontech při zachování části kvantové koherence systému. To ukazuje, že měření nepředstavuje strmý přechod, ale je výsledkem dynamického procesu, který je sám řízen kvantovou mechanikou.
Původní práce vyšla v časopisu Physical Review Letters.
Mohlo by vás zajímat:
Atomy
plynu se řítí k supermasivní černé díře rychlostí 5000 km/s
Nová
technologie pro umělé vidění
Vědci
zhudebnili proteinové molekuly
Entropie
ovlivňuje formování živých tkání