Учёные из Швейцарии приблизились к тому, чтобы квантовые явления можно было увидеть и даже «пощупать»

Выявлять квантовые эффекты на уровне атомов и элементарных частиц — это непростая и трудно реализуемая задача. Постичь всегда лучше то, что можно наблюдать и точно измерить. В идеале необходимо заставить квантовые эффекты возникать на макроуровне — на уровне классической физики. Этой проблемой занялись исследователи из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и преуспели.

Зелёная точка в центре — это стеклянная наносфера. Источник изображения: ETH Zurich

На днях в опубликованной в журнале Nature статье группа авторов под руководством профессора фотоники ETH Zurich Лукаса Новотны (Lukas Novotny) сообщила о квантовом эксперименте со стеклянной наносферой диаметром 100 нм. Это объект нашего родного макроскопического мира, хотя он в сотни раз тоньше человеческого волоса. В то же время крохотный шарик из стекла содержит десять миллионов атомов и не может (и не должен) проявлять квантовые эффекты. Но учёные создали шарику из стекла условия, при которых он может повести себя как электрон или одиночный атом. В частности, шарик может повести себя как волна, а не только как частица, и это явление возможно наблюдать едва ли не воочию.

Задача исследователей заключалась в том, чтобы замедлить стеклянный шарик как совокупность всех атомов до квантового состояния с наименьшей энергией. В таком состоянии частицы остаются стабильны и позволяют наблюдать волновые свойства. Для этого шарик поместили в вакуумную камеру и охладили до температуры 269 °C ниже нуля. Тепловое движение атомов сферы значительно снизилось, но для проявления шариком квантовых эффектов необходимо более сильное охлаждение, с чем исследователи пока не справились.

Пока же учёные испытали на наносфере возможность замедления с использованием электромагнитных колебаний. В вакууме в подвешенном состоянии наносфера удерживается в оптической ловушке, которую создаёт лазерный луч. Другой луч позволяет точно измерять колебания наносферы, а обратная связь с электродами позволяет в заданные моменты времени включать электромагнитные поля для гашения колебательных движений сферы. Примерно так в обычной жизни мы раскачиваем или тормозим качели — создаём ускоряющий или тормозящий импульс в нужные для решения задачи моменты времени.

Наносфера в лазерной ловушке может быть заторможена до проявления квантовых эффектов. Источник изображения: ETH Zurich

Если учёные смогут затормозить наносферу до до квантового состояния с наименьшей энергией, что придаст шарику квантовомеханические свойства, дальше дело будет за малым. Существуют проверенные в физики эксперименты с двойными щелями, которые проявляют волновые функции частиц. В таких экспериментах электроны или атомы как бы оказываются в двух местах одновременно, проявляя волновые свойства. На деле речь идёт о явлении интерференции, когда разные части волны проходят через две разнесённые в пространстве щели и на выходе создают характерную картинку. Подобную картинку учёные рассчитывают увидеть в эксперименте со стеклянной наносферой, что станет доказательством квантового явления на макроуровне.

Классический двухщелевой опыт. Источник изображения: Wikipedia

Добавим, даже сегодня у таких не доведённых до конца экспериментов огромный потенциал. На основе таких наносфер и околоквантовых явлений можно создавать датчики ускорения и перемещения, которые будут точнее отслеживать перемещение объектов, чем все GPS вместе взятые. Особенно такое любят военные, но это уже другая история.