Учёные заморозили квантовое движение без охлаждения

Лазер воздействует на стеклянные частицы. Автор: Лоренцо Дания (ETH Zurich)

Каковы пределы квантовой физики? Этот вопрос исследуют по всему миру уже десятилетиями. Чтобы использовать свойства квантового мира в технике, необходимо понять, могут ли объекты, значительно крупнее атомов и молекул, также демонстрировать квантовые явления.

Например, можно изучать крошечные стеклянные сферы диаметром в сто нанометров — это всё ещё в тысячу раз меньше песчинки, но по квантовым меркам они огромны. Годы ушли на попытки доказать, что такие частицы сохраняют квантовые свойства. Группа исследователей из ETH Zurich при теоретической поддержке TU Wien (Вена) совершила прорыв: им удалось показать, что вращательные колебания таких частиц подчиняются законам квантовой физики не только при охлаждении почти до абсолютного нуля, но даже при комнатной температуре.

«Микроскопическая частица всегда немного колеблется», — объясняет Карлос Гонсалес-Бальестеро из Института теоретической физики TU Wien. «Эти колебания зависят от температуры и от того, как частица взаимодействует с окружающей средой».

В повседневной жизни мы привыкли, что колебания могут быть любыми. Например, маятник часов можно раскачать на любой угол, сделать его колебания сильнее или слабее. Но в квантовом мире всё иначе: при очень низкой энергии колебания квантуются — существуют только определённые «кванты колебаний».

Есть минимальное колебание («основное состояние»), чуть более энергичное («первое возбуждённое состояние») и так далее. Промежуточных состояний нет, но частица может находиться в квантовой суперпозиции разных состояний — это один из ключевых принципов квантовой физики.

«Очень сложно привести наночастицу в состояние, где проявляются её квантовые свойства», — говорит Карлос Гонсалес-Бальестеро. «Нужно изолировать её от любых внешних воздействий, а обычно ещё и охладить почти до абсолютного нуля (−273,15 °C)».

Вращение замораживается, частица остаётся горячей

ETH Zurich и TU Wien разработали метод, позволяющий перевести определённый аспект наночастицы в квантовое состояние, даже если сама частица находится в горячем, хаотичном состоянии.

«Мы используем не идеально круглую, а слегка эллиптическую наночастицу», — поясняет Карлос Гонсалес-Бальестеро. «Если поместить её в электромагнитное поле, она начнёт вращаться. Нас интересовало: можно ли увидеть квантовые свойства этого вращения? Можно ли извлечь энергию из этого движения, пока оно не перейдёт в основное квантовое состояние?»

Для этого использовались лазерные лучи и система зеркал.

«Лазер может либо добавлять энергию частице, либо забирать её», — объясняет учёный. «Правильно настроив зеркала, можно добиться, чтобы энергия преимущественно отбиралась. Вращательное движение замедляется, пока не приблизится к квантовому основному состоянию».

Чтобы этого добиться, пришлось решить ряд сложных теоретических задач — например, правильно учесть и контролировать квантовый шум лазеров.

Рекордная квантовая чистота

В итоге удалось показать, что вращение можно перевести в состояние, практически полностью соответствующее квантовому основному. Удивительно, что при этом наночастица не охлаждалась — напротив, её температура оставалась высокой.

«Нужно рассматривать разные степени свободы отдельно», — говорит Карлос Гонсалес-Бальестеро. «Так можно эффективно уменьшить энергию вращения, не снижая внутреннюю тепловую энергию частицы. Вращение как бы замораживается, хотя частица остаётся горячей».

Это позволило создать состояние с рекордно высокой «квантовой чистотой» — без необходимости охлаждения.

«Это технически удивительно практичный способ раздвинуть границы квантовой физики», — резюмирует учёный. «Теперь мы можем стабильно и надёжно изучать квантовые свойства объектов, что раньше было почти невозможно».

Источники:

Материалы предоставлены Венским техническим университетом.

Lorenzo Dania, Oscar Schmitt Kremer, Johannes Piotrowski, Davide Candoli, Jayadev Vijayan, Oriol Romero-Isart, Carlos Gonzalez-Ballestero, Lukas Novotny, Martin Frimmer. High-purity quantum optomechanics at room temperature. Nature Physics, 2025; DOI: 10.1038/s41567-025-02976-9