Komanda sugebėjo natrio nanodaleles perkelti į Schrödingero tipo kvantinę būseną, pasiekdama rekordišką makroskopiškumą, kuris iššaukia ribas tarp kvantinio ir klasikinio pasaulių.
Kvantinė mechanika jau dešimtmečius rodo, kad mažiausios dalelės gali elgtis taip, kaip prieštarauja sveikai logikai. Bet kas atsitinka, kai tiriamos ne pavienės elektronai ar atomai, o tūkstančių metalų atomų grupės? Atsakymas ką tik gautas iš Vienos laboratorijos: taip, net šios makroskopinės struktūros gali patekti į kvantinės superpozicijos būseną, tarsi jos egzistuotų keliose vietose tuo pačiu metu.
Fizikų komanda sugebėjo metalines natrio nanodaleles, sudarytas iš iki 10 000 atomų, perkelti į būseną, žinomą kaip „Šreodingerio katė“. Šioje būsenoje kiekviena dalelė neturi fiksuotos vietos, bet elgiasi taip, tarsi būtų keliose vietose vienu metu. Šis atradimas, paskelbtas žurnale „Nature“, yra vienas iš svarbiausių žingsnių siekiant suprasti, kiek kvantinė logika gali būti išplėsta, kol pasaulis tampa „klasikinis“.
Eksperimentas, skirtas ribų peržengimui
Šį darbą atliko Vienos universiteto ir Duisburgo-Eseno universiteto mokslininkai, ir jis yra svarbus žingsnis tyrinėjant vadinamąją „kvantinę makroskopiją“. Iki šiol kvantinės interferencijos eksperimentai buvo atliekami su atomais, paprastomis molekulėmis arba lengvomis biologinėmis struktūromis. Šiuo atveju pagrindiniai veikėjai buvo metalinės nanodalelės, kurių masė viršijo 170 000 daltonų, o tai yra didesnė vertė nei daugelio sudėtingų baltymų.
Norėdami tai pasiekti, mokslininkai naudojo interferometrijos su materija techniką, kurioje klasteriai yra atšaldomi, išlyginami ir tada pravedami per tris ultravioletiniu lazeriu sukurtus groteles. Rezultatas buvo matomas interferencijos modelis: tarsi bangų atspaudas, kurį galima paaiškinti tik tuo atveju, jei dalelės elgiasi kaip kvantinės bangos.
Eksperimento raktas yra ne tik dalelių dydis, bet ir atstumas, kurį jos nuvažiuoja be matavimo. Šio kelio metu jų padėtis nėra fiksuota. Tai yra delokalizacija, kuri, komandos žodžiais tariant, viršija „daugiau nei vienu dydžiu“ pačios dalelės dydį.
Garsiausios fizikos katės sugrįžimas
Terminas „Šrödingerio katės būsena“ nėra tik kultūrinė nuoroda. Fizikoje jis naudojamas apibūdinti situacijas, kai sistema gali būti dviejose tarpusavyje nesuderinamose būsenose tuo pačiu metu. Šiuo atveju natrio klasteriai buvo vienu metu „čia ir ten“, erdvės atžvilgiu.
Vienas iš tiesiogiausių citatų iš mokslinio straipsnio paaiškina: „Ši kvantinė būsena yra analogiška Schrödingero katei: čia makroskopinis objektas prieštarauja intuicijai, nes reiškia klasikinės skirtingos trajektorijos superpoziciją.“
Labiausiai stebina tai, kad šios kvantinės būsenos eksperimento metu nesugriuvo. Interferencija liko matoma, patvirtindama kvantinio modelio galiojimą net dideliems objektams. Kitaip tariant, kvantinis pasaulis neapsiriboja elektronais ar mažomis molekulėmis: jis driekiasi toli už jų ribų.
Kaip buvo sukonstruotas beprecedentis eksperimentas
Norėdama pasiekti šį rezultatą, komanda sukūrė eksperimentinę platformą, pavadintą MUSCLE. Joje natrio klasteriai generuojami agregacijos kameroje ir atšaldomi iki 77 kelvinų.
Tada jie yra perduodami per Talbot–Lau interferometro konfigūraciją, kurioje naudojami trys optiniai grotelės, suformuotos ultravioletinių spindulių.
Kiekvienos grotelės atlieka tam tikrą funkciją: pirmosios parengia koherenciją, antrosios veikia kaip fazinės grotelės, o trečiosios leidžia įrašyti gautą modelį. Naudojama technologija leidžia tiksliai kontroliuoti dalelių kvantinę trajektoriją ir matuoti nukrypimus su ypatingu jautrumu.
Gautas signalas buvo aiškus: juostų modelis, kuris atsiranda tik tada, kai dalelės elgiasi kaip bangos, ir kurio negalima paaiškinti klasikinėmis trajektorijomis. Modelio matomumas siekė iki 10 % vidutinės masės klasteriuose ir iki 66 % masyvesnėse dalelėse. Straipsnyje rašoma: „Mes stebime plačiai delokalizuotų masyvių dalelių interferenciją, įrodančią, kad standartinė kvantinė mechanika išlieka galiojanti šiame mastelyje.“
Ką reiškia pasiekti rekordišką makroskopiškumąVienas iš labiausiai pastebimų šio tyrimo indėlių yra pasiektas kvantinės makroskopijos vertės rodiklis, kuris buvo įvestas pastaraisiais metais siekiant kiekybiškai įvertinti, kiek „didelė“ ar „klasikinė“ yra kvantinėje būsenoje esanti sistema. Kuo didesnė vertė, tuo didesnis eksperimento gebėjimas paneigti alternatyvias teorijas, teigiančias, kad kvantinė fizika neveikia dideliu mastu.Šiuo atveju eksperimente buvo gauta vertė μ = 15,5, kuri viršija ankstesnį rekordą vienu dydžio laipsniu. Pasak pačių autorių, norint pasiekti tokį patį įrodymų lygį su elektronais, reikėtų išlaikyti jų superpoziciją šimtą milijonų metų. Tuo tarpu šiems klasteriams reikėjo tik vienos šimtosios sekundės.Tai reiškia, kad nereikia keisti Schrödingero lygties, norint paaiškinti tai, kas buvo stebėta, o tai sustiprina kvantinio modelio patikimumą netgi mikroskopinio ir makroskopinio pasaulių riboje.
Kas dabar? Kvantinės fizikos ateitis su nanodalelėmis
Eksperimentas ne tik parodo, kad kvantiniai dėsniai taikomi didesniems objektams, nei buvo manoma anksčiau. Jis taip pat atveria duris naujiems tyrimams su dar sudėtingesnėmis medžiagomis, įskaitant biomolekules ir mažus virusus.
Be to, naudojamas interferometras turi praktinį pritaikymą: jis veikia kaip ypač jautrus jėgos jutiklis, galintis aptikti sąveikas 10-26 niutonų diapazone. Tai galėtų būti naudojama izoliuotų nanodalelių elektrinėms, magnetinėms ar optinėms savybėms matuoti, papildant esamas nanotechnologijų technikas.Komanda tikisi, kad, patobulinus techniką, jie galės kelis kartus padidinti eksperimento jautrumą. Jie taip pat planuoja išplėsti analizuojamų dalelių tipą, įtraukiant kitas medžiagų klases. Šis proveržis ne tik meta iššūkį fizikos teorinėms riboms, bet ir gali turėti konkrečių technologinių pasekmių ateinančiais metais.
