Команда физиков из Венского университета и Университета Дуйсбурга-Эссена экспериментально подтвердила волновое поведение крупных кластеров металла. Объекты, состоящие из тысяч атомов, удалось перевести в состояние квантовой суперпозиции — фактически заставив их находиться в нескольких точках пространства одновременно.
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, ученые работали с кластерами натрия диаметром около 8 нанометров. Масса каждой частицы превышала 170 000 атомных единиц, что сопоставимо с крупными белковыми молекулами и значительно превосходит масштаб объектов, на которых ранее фиксировались подобные эффекты.
Несмотря на «макроскопический» по меркам микромира размер, частицы проявили корпускулярно-волновой дуализм.
«Интуитивно кажется, что такой крупный металлический объект должен вести себя как обычная классическая частица. Но интерференция показывает, что законы квантовой механики продолжают доминировать и на этом масштабе», — поясняет ведущий автор исследования, сотрудник Венского университета Себастьян Педалино.
Для наблюдения квантового эффекта физики использовали метод оптической интерферометрии:
- Охлаждение и пуск: Кластеры натрия охлаждались и направлялись в вакуумную установку.
- Система лазерных решеток: Частицы проходили сквозь три дифракционные решетки, сформированные ультрафиолетовыми лазерами.
- Создание суперпозиции: Первый лазерный импульс переводил металлическую частицу в состояние суперпозиции, при котором её траектория «раздваивалась».
- Интерференция: Пройдя через систему, разные траектории накладывались друг на друга, образуя интерференционную картину — характерное чередование максимумов и минимумов, свойственное только волнам.
Физики проводят аналогию с «котом Шрёдингера»: в данном опыте металлическая наночастица находилась в неопределенном состоянии относительно своего местоположения до момента финального измерения.
Авторы подчеркивают, что этот эксперимент стал одним из самых строгих тестов границ квантовой механики. Достигнутый уровень проверки теории (так называемый параметр макроскопичности) примерно на порядок превосходит результаты всех предыдущих аналогичных опытов.
Помимо фундаментальных выводов, работа имеет прикладное значение:
- Сверхчувствительные сенсоры: Разработанный интерферометр способен фиксировать сверхмалые силы порядка 10−26 ньютона.
- Нанотехнологии: Точность метода позволяет измерять гравитационные аномалии и магнитные поля на наноуровне, что открывает путь к созданию датчиков нового поколения.
