Физики из Венского университета и Университета Дуйсбург-Эссен доказали, что даже крошечные кусочки металла могут подчиняться странным правилам квантовой механики, существуя в состояниях, разбросанных по нескольким местам одновременно. В новом исследовании, опубликованном в Nature, учёные показали, что металлические наночастицы из тысяч атомов натрия всё ещё демонстрируют квантовое поведение, несмотря на то, что они значительно крупнее и тяжелее частиц, обычно используемых в подобных экспериментах. Это достижение стало одной из сильнейших проверок квантовой механики на масштабах, приближающихся к макроскопическому миру.
Квантовая физика описывает мир, где материя может вести себя и как частица, и как волна, но в повседневной жизни обычные объекты следуют предсказуемым законам классической физики. Команда исследователей из Вены под руководством Маркуса Арндта и Штефана Герлиха впервые распространила квантовые эффекты на гораздо более крупные металлические наночастицы. Кластеры натрия, использованные в эксперименте, имели размер около 8 нанометров и массу более 170 000 атомных единиц массы, но всё равно давали измеримую квантовую интерференцию. Выбор натрия оказался оптимальным благодаря его простой электронной структуре и подходящей температуре плавления, что упрощает создание ультрахолодных конденсатов, а также удобным для лазерного манипулирования энергетическим уровням.
Интуитивно можно было бы ожидать, что такой крупный кусок металла будет вести себя как классическая частица, — говорит ведущий автор Себастьян Педалино. — Тот факт, что он всё ещё интерферирует, показывает, что квантовая механика действует даже на этом масштабе и не требует альтернативных моделей. Исследователи создали сверхохлаждённые кластеры натрия, содержащие от 5 000 до 10 000 атомов, а затем пропустили их через три дифракционные решётки, созданные ультрафиолетовыми лазерами. Первый лазер определял положение каждого кластера и помещал их в квантовую суперпозицию, позволяя им двигаться по нескольким траекториям одновременно.
Когда эти возможные пути пересекались позже в эксперименте, они создавали детектируемую полосатую интерференционную картину, соответствующую предсказаниям квантовой теории. Результаты показали, что частицы не занимали фиксированного положения во время полёта, а вместо этого их квантовое состояние распространялось на область в десятки раз больше самих частиц. Физики описывают такие условия как состояния «кота Шрёдингера» — в данном случае металлические кластеры одновременно находились «и здесь, и не здесь».
Теоретическая основа для этой интерферометрии ближнего поля была разработана Клаусом Хорнбергером и Штефаном Нимрихтером, которые ввели концепцию макроскопичности для сравнения экспериментов, проверяющих квантовые пределы. Параметр макроскопичности μ, представляющий собой безразмерную величину и рассчитываемый как 1/√N, где N — число частиц в образце, достиг в новом эксперименте значения 15,5, что примерно на порядок превосходит предыдущие эксперименты по всему миру. Чтобы достичь такого же уровня точности с использованием электронов, учёным пришлось бы сохранять квантовые суперпозиции электронов почти 100 миллионов лет, тогда как металлические наночастицы сделали это примерно за одну сотую секунды. Работа может помочь исследователям понять, почему квантовые эффекты доминируют в микроскопическом мире, в то время как повседневные объекты выглядят нормальными и классическими. Венский интерферометр также функционирует как сверхточный датчик силы, способный регистрировать силы до 10⁻²⁶ Н, а будущие версии, возможно, станут ещё чувствительнее. Исследователи планируют изучать ещё более крупные частицы и дополнительные материалы в будущих работах, что может открыть возможности для точных измерений электрических, магнитных и оптических свойств изолированных наночастиц и поддержать новые достижения в нанотехнологиях и точном зондировании.
Источник: Scientists put a tiny lump of metal in two places at once in record-breaking quantum experiment