Физики впервые увидели "твердый" квантовый объект

Австрийские и американские физики впервые смогли сфотографировать "твердый" квантовый объект, наночастицу из стекла, состоящую сразу из 100 млн атомов. Это достижение значительно расширяет границы действия законов квантовой механики, сообщается в журнале Science со ссылкой на данные исследователей.

"Мы знаем, что законы квантовой физики применимы к атомам и молекулам, но не знаем, насколько большим может быть объект, проявляющий квантовые свойства. Поймав наночастицу и связав ее с фотонным кристаллом, мы смогли изолировать подобный макрообъект и изучили его квантовые свойства", - сообщают Маркус Аспельмейер, профессор Венского университета (Австрия), и его коллеги.

Ученых давно интересует то, почему мы не можем наблюдать феномен квантовой запутанности - взаимосвязанности квантовых состояний двух или более частиц света, атомов или других объектов, при котором изменение состояния одного из них мгновенно отражается на состоянии других, в мире тех предметов, которые мы можем увидеть невооруженным глазом или хотя бы в микроскоп.

Сегодня ученые объясняют то, почему два яблока и прочие видимые объекты не могут быть объединены подобными "странными связями", как их называл Эйнштейн, по той причине, что они разрушаются в результате так называемой декогеренции. Подобным образом исследователи называют последствия взаимодействий объектов, "запутанных" на квантовом уровне, с атомами, молекулами, прочими скоплениями материи и силами окружающей среды.

В соответствии с этой логикой, чем крупнее объект, тем больше и чаще он контактирует с окружающей средой и тем быстрее распадаются квантовые связи, соединяющие его с другими частицами и телами. Это соображение породило дискуссии о том, где начинается и кончается квантовая механика, влияет ли она на поведение крупных объектов в целом и можно ли нащупать границу между квантовым микромиром и обыденным макромиром.

Квантовый холодильник
Аспельмейер и его коллеги сделали большой шаг в сторону расширения границ квантового мира, проводя эксперименты с наночастицами и оптической ловушкой, набором из нескольких лазеров и линз, который способен удерживать мельчайшие фрагменты материи в вакууме и охлаждать их до температуры, близкой к абсолютному нулю.

Данное свойство оптических ловушек, как объясняют ученые, крайне важно для изучения квантовых свойств всех форм материи. Это связано с тем, что при подобных температурах атомы, молекулы и частицы перестают хаотично двигаться под действием тепла и переходят в особое состояние, в котором на них действуют только законы квантового мира.

Этого достаточно легко достичь для одиночных атомов и молекул, а также газообразных скоплений из них, однако твердые формы материи раньше физикам не удавалось охладить до этой отметки. В начале прошлого года Аспельмейер и его команда решили эту проблему, подобрав такую длину волны лазеров, используемых для "накачки" оптических ловушек, при которой наночастица начинает терять энергию, рассеивая их излучение, что приводит к ее замедлению и охлаждению.

Добившись этого успеха, австрийские и американские физики подготовили наночастицу из чистого кварцевого стекла, поместили ее в этот прибор, охладили до температуры, близкой к абсолютному нулю, и измерили ее квантовые свойства. Эти замеры подтвердили, что она проявляла их на протяжении нескольких долей микросекунды.

Пока, как признают физики, этого не хватает для проведения квантовых экспериментов, однако в будущем, если уменьшить уровень шума в излучении лазера и улучшить работу ловушки в целом, наночастица будет оставаться в квантовом состоянии примерно семь микросекунд.

По словам ученых, этого времени хватит для наблюдений за тем, как "падает" квантовый макрообъект, на который действует сила притяжения. Это позволит использовать нескольких таких частиц для изучения гравитационных волн и раскрытия природы "взаимоотношений" гравитации с квантовым микромиром, что предлагал сделать еще в 1957 году знаменитый американский физик Ричард Фейнман.