Физики доказали, что микроскопические куски метана могут существовать в квантовой суперпозиции, ведя себя так, как если бы они находились в нескольких точках одновременно. Фото: AI/ScienceDaily.com
В поразительном эксперименте, результаты которого были опубликованы в журнале Nature, исследователи из Венского университета и Университета Дуйсбург-Эссен продемонстрировали, что крошечные металлические наночастицы, состоящие из тысяч атомов натрия, способны проявлять квантовое поведение, несмотря на свои значительные размеры и массу. Это открытие, по сути, ставит под сомнение традиционные представления о границах квантовой механики, раздвигая их до макроскопических масштабов, которые ранее считались прерогативой классической физики.
Ученые неоднократно подтверждали, что материя может вести себя и как частица, и как волна, однако эти эффекты обычно наблюдались у электронов, атомов и небольших молекул. В повседневной же жизни привычные объекты — камни, пыль или мрамор — подчиняются законам классической физики, оставаясь на одном месте и двигаясь по четким траекториям. Теперь же, благодаря работе венской группы под руководством Маркуса Арндта и Стефана Герлиха, эти квантовые странности были распространены на гораздо более крупные металлические структуры.
Квантовое поведение для массивных частиц
Ключевым элементом эксперимента стали кластеры натрия, каждый из которых имел размер примерно 8 нанометров в поперечнике — это сопоставимо с размерами традиционных полупроводниковых компонентов. При этом масса каждого такого кластера превышала 170 000 атомных масс, что делает их тяжелее большинства белков. Несмотря на столь внушительные параметры, частицы все равно создавали измеримую квантовую интерференцию, демонстрируя поведение, характерное для квантовых объектов.
«Интуитивно можно было ожидать, что такая большая частица будет вести себя как классическая», — пояснил ведущий автор и докторант Себастьян Педалино. «Тот факт, что она все еще создает интерференцию, показывает, что квантовая механика справедлива даже в этом масштабе и не требует альтернативных моделей».
Таким образом, ученым удалось создать своего рода «металлический комок Шрёдингера», который одновременно находится в нескольких местах, что представляет собой одно из самых убедительных доказательств квантовой механики на макроскопическом уровне.
Для проведения эксперимента исследователи использовали солнечные ультрахолодные кластеры натрия, содержащие от 5 000 до 10 000 атомов. Затем частицы прошли через три дифракционные решетки, генерируемые лучами ультрафиолетового лазера.
Первый лазерный луч установил положение каждого кластера с расстоянием около 10 нм и поместил частицы в квантовую суперпозицию, что означает, что они могли последовательно проводиться через устройство несколькими путями. Когда позже в эксперименте эти возможные пути пересеклись, они обнаружили полосатую интерференционную картину, которая является названием предсказаний квантовой теории.
Результаты показывают, что частицы не занимали одно и то же фиксированное положение во время своего полета. Вместо этого их квантовое состояние распространилось на область, в десятки раз большую, чем сами частицы.
Физики сегодня представляют собой состояние кошки Шредингера, ссылаясь на знаменитый мысленный эксперимент австрийского физика Эрвины Шредингера с участием кошек, которые одновременно мертвы и живы, пока ее не наблюдают. В этом случае исследователи обращают внимание на металлические кластеры как на «здесь и не здесь». в то же время.
Рекордный тест квантовой механики
Теоретическая основа такого типа интерферометрии ближнего поля была разработана на последних двух измерениях Клаусом Хорнбергером (Университет Дуйсбурга-Эссена), который также является соавтором новых исследований. Хорнбергер и Стефан Ниммрихтер (тогда Венский университет) ранее представляли собой макроскопичность — метод сравнения, в конечном итоге сильно разные эксперименты, проверяющие границы квантовой механики.
Макроскопичность Позволяет ученым исследовать эксперименты с участием таких систем, как наноосцилляторы, атомные интерферометры и наноакустические резонаторы, исследования, которые фактически эффективно исследуют даже незначительные отклонения от квантовой теории.
В новом эксперименте команда достигла значений макроскопичности μ = 15,5. Согласно результатам, это примерно соответствует порядку предыдущих экспериментов во всем мире.
Чтобы достичь того же уровня точности определения с использованием электронов, ученым необходимо будет сохранить квантовые суперпозиции электронов в течение почти 100 миллионов лет. Металлические наночастицы в Вене измеряют этот показатель всего за одну сотую секунду.
Будущие приложения и более крупные квантовые эксперименты
Несмотря на проверки основ физики, эта работа может помочь исследователям понять, почему квантовые эффекты доминируют в микроскопическом мире, в то время как повседневные объекты среднестатистические и классические.
В будущих исследованиях мы планируем рассмотреть еще более крупные частицы и дополнительные материалы, которые гарантируют продвинет эти испытания на несколько порядков дальше. Ожидается, что улучшенная экспериментальная инфраструктура и модернизированное оборудование позволят сделать еще более тонкие измерения.
Венский интерферометр также действует как исключительный цифровой датчик силы, способный обнаруживать силы всего 10–26 Н. Исследователи говорят, что будущие версии могут стать еще более чувствительными, открывая возможности для высокоточных измерений электрических, магнитных и оптических свойств в изолированных наночастицах. Эти возможности могут в конечном итоге поддержать новые достижения в области нанотехнологий и прецизионного зондирования.
Исследователи Венского университета под руководством Маркуса Арндта и Стефана Герлиха провели исследование в Великобритании с Клаусом Хорнбергером из Университета Дуйсбург-Эссен. Результаты опубликованы в Nature .
Эксперимент в финансовой сфере:
- Der Gordon & Грант Фонда Бетти Мур GMBF10771
- Fonds zur Förderung Wissenschaftlicher Forschung, FWF, MUSCLE #32542-N