Учёные создали крошечных собратьев кота Шрёдингера

Физикам и химикам из Австрии, Германии, Швейцарии и США удалось продемонстрировать квантовое поведение молекул, состоящих из сотен атомов. Рекорд поможет исследовать ту нечёткую границу, что отделяет квантовые объекты от макрообъектов и царство квантовой механики от вотчины классической физики.

В квантовой физике движение частиц (от электронов до больших молекул) описывается как распространение волн де Бройля. В определённом смысле это означает, что частицы теряют свою классические чётко определённые позиции. Говоря упрощённо, их волновая функция «размазывается» по большой площади. Это состояние суперпозиции напоминает кота, который является мёртвым и живым одновременно (иллюстрация Mathias Tomandl).

В ходе опыта в Венском университете учёным удалось синтезировать крупные органические молекулы, а потом бережно, без разрушения, обратить их в пучки единичных молекул, которые направлялись в интерферометр. С его помощью авторы работы продемонстрировали волновую природу и делокализацию всех молекул, задействованных в эксперименте. В их числе были «монстры», состоящие из 430 атомов, насчитывающие в поперечнике до 60 ангстрем и весящие до 6910 атомных единиц массы.

Физики показали, что даже молекулярные комплексы с более чем тысячей внутренних степеней свободы могут быть получены в квантовом состоянии и достаточно хорошо изолированы от окружающей среды, чтобы избежать декогеренции.

Молекулы, испытанные в ходе опыта. (a) фуллерен C₆₀ (60 атомов), применялся для калибровки; (b) PFNS8 (C₆₀(C₁₂F₂₅)₈, 356 атомов). (c) PFNS10 (C₆₀(C₁₂F₂₅)₁₀, 430 атомов). (d) TPP (C₄₄H₃₀N₄, 78 атомов) — база для пары следующих комплексов. (e) TPPF84 (C₈₄H₂₆F₈₄N₄S₄, 202 атома) и (f) TPPF152 (C₁₆₈H₉₄F₁₅₂O₈N₄S₄, 430 атомов). Все молекулы показаны в одном масштабе, линейка 10 ангстрем (иллюстрация Stefan Gerlich, Marcel Mayor, Markus Arndt et al./ Nature Communications).

Некоторые из данных молекул по форме напоминали осьминога. Так что, как пишет PhysOrg.com, исследователи получили «младшего брата кота Шрёдингера».

Напомним, знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера с запертым в ящике котом был придуман почти 80 лет назад, чтобы показать неполноту квантовой механики при переходе к описанию всё более крупных объектов.

На деле этот «опыт» не разрешил тогдашние сомнения учёных, но зато проторил дорожку вполне реальным современным экспериментам, в которых авторы смешивают классические и квантовые системы.

Таким способом исследователи стараются узнать больше о границах применимости двух физик и пытаются понять, какая интерпретация квантовой механики верна.

(Подробности — в пресс-релизе университета Вены и статье в Nature Communications.)