Ученые поместили крошечный кусок металла в два места одновременно в рекордном квантовом эксперименте

Физики продемонстрировали, что даже крошечные куски металла могут вести себя согласно странным правилам квантовой механики, существуя в состояниях, которые распространяются сразу на несколько местоположений. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые из Венского университета и Университета Дуйсбург-Эссен показали, что металлические наночастицы, состоящие из тысяч атомов натрия, все еще проявляют квантовое поведение, несмотря на то, что они намного крупнее и тяжелее частиц, обычно используемых в таких экспериментах.

Это достижение представляет собой одну из самых сильных проверок квантовой механики на масштабах, приближающихся к макроскопическому миру.

Исследовательская группа из Вены под руководством Маркуса Арндта и Штефана Герлиха впервые расширила эти квантовые эффекты на гораздо более крупные металлические наночастицы. Используемые в эксперименте кластеры натрия имели размер около 8 нанометров в поперечнике, что сопоставимо с размерами современных компонентов транзисторов. Масса каждого кластера превышала 170 000 атомных единиц массы, что делает их тяжелее большинства белков. Даже в таком масштабе частицы все равно создавали измеримую квантовую интерференцию.

«Интуитивно можно было бы ожидать, что такой большой кусок металла будет вести себя как классическая частица, — говорит ведущий автор и аспирант Себастьян Педалино. — Тот факт, что он все еще интерферирует, показывает, что квантовая механика справедлива даже в этом масштабе и не требует альтернативных моделей».

Чтобы провести эксперимент, исследователи создали сверххолодные кластеры натрия, содержащие от 5 000 до 10 000 атомов. Частицы проходили через три дифракционные решетки, созданные ультрафиолетовыми лазерными лучами. Первый лазерный луч устанавливал положение каждого кластера с точностью около 10 нм и помещал частицы в квантовую суперпозицию, что означало, что они могли следовать по нескольким путям через аппарат одновременно. Когда эти возможные пути перекрывались позже в эксперименте, они создавали обнаруживаемую интерференционную картину в виде полос, которая соответствовала предсказаниям квантовой теории. Результаты показывают, что частицы не занимали одно фиксированное положение во время своего полета. Вместо этого их квантовое состояние распространялось на область, в десятки раз превышающую размер самих частиц.

Физики описывают эти условия как состояния «кота Шрёдингера», ссылаясь на знаменитый мысленный эксперимент австрийского физика Эрвина Шрёдингера с котом, который одновременно жив и мертв, пока за ним не наблюдают. В данном случае исследователи описывают металлические кластеры как фактически находящиеся «здесь и не здесь» одновременно.

В новом эксперименте команда достигла значения макроскопичности μ = 15,5. По словам исследователей, это примерно на порядок превосходит предыдущие эксперименты по всему миру. Чтобы достичь такого же уровня точности проверки с использованием электронов, ученым потребовалось бы сохранять квантовые суперпозиции электронов в течение почти 100 миллионов лет. Металлические наночастицы в Вене достигли этого показателя всего за одну сотую секунды.

Помимо проверки основ физики, эта работа может помочь исследователям понять, почему квантовые эффекты доминируют в микромире, в то время как повседневные объекты выглядят нормальными и классическими. Команда планирует исследовать еще более крупные частицы и дополнительные материалы в будущих исследованиях, потенциально продвигая эти тесты на несколько порядков величины дальше.