Физики вызвали левитацию стеклянной наносферы, переведя ее в область квантовой механики

Квантовая механика имеет дело с поведением Вселенной на сверхмалых масштабах: атомы и субатомные частицы действуют так, как не может объяснить классическая физика. Чтобы изучить это противоречие между квантовым и классическим, ученые пытаются заставить все более крупные объекты вести себя квантовоподобным образом.

В данном конкретном исследовании речь идет о крошечной стеклянной наносфере диаметром 100 нанометров - примерно в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. На наш взгляд, это очень, очень мало, но с точки зрения квантовой физики, на самом деле она довольно огромна и состоит из 10 миллионов атомов.

Перевести такую наносферу в область квантовой механики - это огромное достижение, но именно этого физики сейчас и добились.

С помощью тщательно откалиброванных лазерных лучей наносфера была подвешена в самом низком квантово-механическом состоянии - крайне ограниченном движении, в котором может начаться квантовое поведение.

"Это первый случай использования такого метода для управления квантовым состоянием макроскопического объекта в свободном пространстве", - говорит Лукас Новотны, профессор фотоники из ETH Zurich в Швейцарии.

Чтобы достичь квантового состояния, движение и энергия должны быть сведены к минимуму". Новотны и его коллеги использовали вакуумный контейнер, охлажденный до -269 градусов Цельсия (-452 градуса по Фаренгейту), а затем с помощью системы обратной связи внесли дополнительные коррективы.

Используя интерференционные схемы, создаваемые двумя лазерными лучами, исследователи рассчитали точное положение наносферы в камере, а затем, используя электрическое поле, создаваемое двумя электродами, произвели точную настройку, необходимую для того, чтобы свести движение объекта к нулю.

Это не сильно отличается от замедления движения качелей на детской площадке, когда их толкают и тянут до тех пор, пока они не придут в состояние покоя. После достижения этого низшего квантово-механического состояния можно приступать к дальнейшим экспериментам.

"Чтобы четко увидеть квантовые эффекты, наносферу необходимо замедлить... вплоть до ее подвижного основного состояния", - говорит инженер-электрик Феликс Теббенйоханнс из ETH Zurich.

"Это означает, что мы замораживаем энергию движения сферы до минимума, который близок к квантовомеханическому нулевому движению".

Хотя подобные результаты уже были достигнуты ранее, они использовали так называемый оптический резонатор для балансировки объектов с помощью света.

Используемый здесь подход лучше защищает наносферу от воздействия посторонних факторов и позволяет наблюдать объект в изоляции после выключения лазера - хотя для реализации этого потребуется множество дальнейших исследований.

Исследователи надеются, что их результаты могут быть полезны в изучении того, как квантовая механика заставляет элементарные частицы вести себя как волны. Возможно, что сверхчувствительные установки, подобные этой наносфере, также могут помочь в разработке датчиков следующего поколения, превосходящих все, что мы имеем сегодня.

Возможность левитировать такую большую сферу в криогенной среде представляет собой значительный скачок к макроскопическим масштабам, где можно изучать грань между классическим и квантовым.

"Вместе с тем, что потенциал оптической ловушки хорошо поддается контролю, наша экспериментальная платформа предлагает путь к исследованию квантовой механики в макроскопических масштабах", - заключают исследователи в своей статье.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.