روتوری یک‌میلی‌گرمی که با زیر نظر بودن ساکن می‌ماند
در بیست سال گذشته، فیزیک‌دانان آموخته‌اند اجسام مکانیکی را نزدیک به حدهای کوانتومی‌شان کنترل کنند — از تشدیدگرهای نانومقیاس به وزن چند فمتوگرم تا آینه‌های چندکیلوگرمی آشکارسازهای امواج گرانشی. اما تقریباً همهٔ آن‌ها نوسانگر هستند: چیزی، مانند یک فنر، آن‌ها را به مرکز بازمی‌گرداند. ساده‌ترین سامانهٔ مکانیک کوانتومی، ذرهٔ آزاد، که هیچ چیز آن را بازنمی‌گرداند، در برابر چنین کنترلی مقاومت کرده است. در بسامدهای پایینی که حرکت آزاد در آن‌ها رخ می‌دهد، اصطکاک و نوفهٔ محیط همه‌چیز را در خود غرق می‌کنند.
با این حال، جرم‌های آزاد دقیقاً همان چیزی‌اند که چند پرسش بزرگ به آن نیاز دارند: آزمودن اینکه آیا گرانش کوانتومی است، کاوش در تغییرات پیشنهادی مکانیک کوانتومی، و جست‌وجوی نیروهای تازهٔ کوتاه‌برد.
آینه‌ای بر رشته‌ای شیشه‌ای
اومانگ میشرا (Umang Mishra)، تئودور اشترومبرگ (Teodor Strömberg)، اونور هوستن (Onur Hosten) و همکارانشان در مؤسسهٔ علم و فناوری اتریش جسم آزمون را ساختند: یک میلهٔ آینه‌ای از سیلیس گداخته به وزن 1 میلی‌گرم، به طول 2 میلی‌متر، که از رشته‌ای از سیلیس گداخته به طول 15 سانتی‌متر و ضخامت 1 میکرومتر آویزان است، در خلأیی کمتر از 10⁻¹⁰ میلی‌بار. به بیان دقیق، این یک آونگ پیچشی است که هر 15 ثانیه یک بار رفت و برگشت می‌کند. اما در مقیاس‌های زمانی‌ای که اینجا اهمیت دارند، یعنی ده‌ها میلی‌ثانیه، این کشش را به‌زحمت حس می‌کند: مانند جسمی آزاد رفتار می‌کند.
جداافتادگی آن از محیط بی‌اندازه است. گروه گشتاورهای تصادفی‌ای را که آن را تکان می‌دهند اندازه گرفت و هیچ نوفه‌ای فراتر از آنچه آهنگ میرایی‌ای برابر با تنها 7 نانوهرتز پدید می‌آورد نیافت. اگر میله به عنوان شتاب‌سنج به کار رود، نوک آن تقریباً صد بار حساس‌تر از بهترین آزمایش‌های پیشین در این جرم خواهد بود.
برای زیر نظر گرفتن آن، یک «اهرم نوری دوگانه» دو پرتو لیزر را در جهت‌های مخالف از آینه بازمی‌تاباند، به گونه‌ای که لرزش خودِ لیزر خنثی می‌شود و تنها چرخش میله باقی می‌ماند. پرتو سومی می‌تواند میله را با فشار نور هل دهد. کل چیدمان روی سکویی برای جداسازی لرزه‌ای قرار دارد، و تداخل‌سنجی کوچک با آینهٔ آویختهٔ خودش هر حرکت باقی‌ماندهٔ آن سکو را دنبال می‌کند.
اندازه‌گیری به جای تله
ایدهٔ کلیدی این است که اندازه‌گیری پیوسته می‌تواند جای تله را بگیرد. اگر جسمی آزاد به حال خود رها شود، مکان و سرعتش هر دم نامعین‌تر می‌شوند. اگر بی‌وقفه اندازه گرفته شود، مسیرش در حین حرکت آشکار می‌شود، و دانش ما از حالتش به ابهامی پایدار و محدود می‌رسد. اینجا این ابهام در حدود 26 میلی‌ثانیه تثبیت می‌شود.
این عدم قطعیت باقی‌مانده را می‌توان به یک دما تبدیل کرد، از راه تعریف درسی‌ای که دما را به تغییرات آنتروپی پیوند می‌دهد. این «دمای آنتروپیک» نشان می‌دهد که حرکت روتور چقدر دقیق شناخته شده است، و امکان می‌دهد اجسام آزاد با نوسانگرها مقایسه شوند.
گروه میله را با نور به دام انداخت، رهایش کرد، و زاویه‌اش را در 100 بازهٔ 1.25 ثانیه‌ای ثبت کرد. دو روش برای بازسازی حالت آن مقایسه شد: برآوردی «علّی» (causal) که تنها از اندازه‌گیری‌های گذشته استفاده می‌کند، و برآوردی «هموارشده» (smoothed) که از اندازه‌گیری‌های انجام‌شده پس از آن لحظه نیز بهره می‌گیرد. تفاوت میان این دو، راه تازه‌ای برای بررسی این فراهم کرد که حالت واقعاً چقدر خوب شناخته شده است.
140 نانوکلوین
- تنها از داده‌های گذشته، حالت روتور با 1.2 میکروکلوین متناظر است.
- با هموارسازی، به 140 نانوکلوین کاهش می‌یابد — 140 میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق.
این حدود دو مرتبهٔ بزرگی سردتر از آزمایش‌های رومیزی پیشین با اجسام مکانیکی است. نویسندگان یادآوری می‌کنند که این دستاورد چنین سامانه‌هایی را به رژیم فوق‌سرد می‌برد، که تاکنون عمدتاً با ابرهای اتمیِ سردشده با تبخیر شناخته می‌شد. سرمایش متعارف با بازخورد نمی‌توانست به آن برسد.
کفی وجود دارد. برای این سطح از جداافتادگی، مدل پیش‌بینی می‌کند که دما نمی‌تواند به زیر حدود 15 نانوکلوین برسد: بر پایهٔ اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، اندازه‌گیری هرچه دقیق‌تر مکان، سرعت چرخش را بیش از پیش مبهم می‌کند.
یک جرم آزادِ آرام به چه کار می‌آید
دو کاربرد بی‌درنگ پیش می‌آید. برخی نظریه‌ها مکانیک کوانتومی را چنان تغییر می‌دهند که ابهام کوانتومی خودبه‌خود فرو بپاشد، و این لرزشی ضعیف و تصادفی به هر جسمی می‌افزاید. سکون اندازه‌گیری‌شدهٔ روتور گسترهٔ تازه‌ای از این مدل‌ها را در بسامدهای پایین رد می‌کند، که مکمل حدهایی است که مأموریت فضایی LISA Pathfinder تعیین کرده است.
کاربرد دوم به گرانش مربوط است. اینکه آیا گرانش می‌تواند دو جرم را درهم‌تنیده کند پرسشی باز و محوری است. بر پایهٔ معیار شایستگی‌ای که گروه به کار می‌برد، دو روتور از این دست هم‌اکنون از نظر نسبت میان ایجاد درهم‌تنیدگی و از دست دادن آن، تقریباً با دو مرتبهٔ بزرگی از هر سامانه‌ای که پیش‌تر نشان داده شده پیشی می‌گیرند، هرچند هنوز با هدف فاصلهٔ زیادی دارند. به نوشتهٔ نویسندگان، افزودن یک کاواک نوری ساده برای خواندن چرخش، خلوص لازم را دست‌یافتنی می‌کند.