Исследователи из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich) поймали крошечную сферу размером в сотню нанометров с помощью лазерного излучения и освободили ее от теплового движения. Сфера стала двигаться только по законам квантовой механики, как элементарная частица. Новый метод может помочь исследователям изучать квантовые эффекты в макроскопических объектах и создавать сверхчувствительные сенсоры.
Все крупные (макроскопические) объекты живут по законам ньютоновской механики и квантовой механики одновременно. Просто проявление законов квантовой механики у объектов, различимых невооруженным глазом, скрыто тепловым движением.
Законы квантовой механики позволяют элементарным частицам проявлять свойства и частицы, и волны одновременно. Экспериментально волновые свойства частицы подтверждает интерференция – сложение амплитуды двух волн одинаковой частоты, которые образуются, когда частица обходит препятствие. Амплитуда – это высота волны на пике. Если волны находятся в одной фазе (гребни волны совпадают по форме и высоте), то их амплитуды будут одного знака и, сложившись, дадут гребень вдвое выше, чем у каждой из двух волн. Если волны находятся в противофазе (у одной волны – гребень, а у другой – яма), то их амплитуды будут иметь разные знаки и, сложившись, дадут отсутствие гребня. То есть ноль.
Интерференцию можно увидеть и глазами, и приборами. Картину интерференции света показывают ученикам на уроках физики в средней школе и посетителям музеев науки. Свет заставляют обойти препятствие – пропускают через двойную щель. Расстояние между двумя щелями и есть препятствие, которое обходит свет. Ученики и посетители видят интерференцию света как рисунок из чередующихся белых и черных полос.
Напомним, свет состоит из элементарных частиц, называемых фотонами. Когда две волны-фотона находятся в одной фазе, свет становится вдвое белее. Когда фотоны находятся в противофазе, света не будет вообще – то есть вместо света будет темнота: черная полоса. Вот почему чередуются белые и черные полосы в картине интерференции.
А почему вообще элементарные частицы проявляют свои волновые свойства – откуда эти свойства берутся у этих частиц? Все дело именно в законах квантовой механики. Согласно принципу неопределенности, невозможно точно указать, в каком конкретном месте находится частица. Поэтому считается, что частица одновременно и в этом месте, и в другом – с определенной вероятностью. Частицы все время движутся, не останавливаются ни на миг.
Когда частица оказывается перед препятствием, она должна его обойти. Поскольку нельзя утверждать, что частица обойдет препятствие с одной определенной стороны, то считается, что она обходит препятствие сразу с двух сторон – обтекает его, как волна. Частица-волна разделяется на две волны, которые обходят препятствие и за ним встречаются. Вот тут-то мы и видим ту самую интерференцию, которая показывает нам, как эти волны шли от препятствия до встречи.
Интерференцию видимых глазами объектов, да хоть крошечных песчинок, пока никому увидеть не удавалось. Десять лет назад ученым из Венского университета удалось получить картину интерференции одиночной частицы фталоцианина – органической молекулы из атомов углерода, водорода и азота. Увидеть молекулу можно под специальным оптическим микроскопом. Молекулу пропускали через ультратонкую дифракционную нанорешетку. Интерференционную картину искажало тепловое движение молекулы.
Решающий шаг в этом направлении сделали ученые Цюрихского университета. Об этом – их статья, опубликованная 14 июля в научном журнале Nature.
В качестве макроскопического объекта они взяли стеклянную сферу диаметром 100 нанометров. С помощью лазера сферу охладили и заставили парить в оптической ловушке внутри вакуумного контейнера, охлажденного до 269 градусов ниже нуля. Чем ниже температура, тем меньше тепловое движение.
"Однако, чтобы ясно видеть квантовые эффекты, наносферу нужно еще сильнее замедлить, вплоть до ее базового состояния, – объясняет Феликс Теббенджоаннс (Felix Tebbenjohanns), постдок из ETH Zürich. – Это означает, что мы замораживаем тепловое движение сферы до минимума, близкого к квантово-механическому нулевому движению".
Движение сферы ученые замедляли по принципу качели. Чтобы остановить движение качели, сидя в ней, нужно делать взмахи ногами, тормозящие размах качели.
Замедляющие сферу движения исследователи выполняли следующим образом. Они наложили отраженный сферой свет на другой лазерный луч и получили интерференционную картину. По положению этой интерференционной картины они определяли координаты сферы внутри оптической ловушки. По координатам учёные рассчитывали, как сильно нужно толкать или тянуть сферу, чтобы ее замедлить. Замедление производилось электрическим полем.
"Это первый случай, когда такой метод был использован для управления квантовым состоянием макроскопического объекта в свободном пространстве", – говорит Лукас Новотны (Lukas Novotny), профессор ETH Zürich, руководитель исследования.
Как отмечается в пресс-релизе ETH Zürich, подход Новотного имеет важные преимущества: он менее восприимчив к возмущениям, и при выключении лазерного излучения можно, при необходимости, исследовать сферу в полной изоляции.
Новотны утверждает, что парящие стеклянные наносферы представляют интерес не только для фундаментальных исследований, но могут иметь и практическое применение.
Уже сейчас существуют датчики, которые могут измерять ничтожные ускорения или вращения с помощью интерферирующих атомных волн. Поскольку чувствительность таких датчиков возрастает с увеличением массы квантово-механического интерферирующего объекта, датчики могут быть значительно улучшены с помощью наносфер, отмечает пресс-релиз ETH Zürich.
Ранее мы рассказывали, как стареют магнитные наночастицы, попадающие в организм. Сообщали, что физики описали парадокс квантовой голубятни и что они наблюдали квантовые свойства у рекордно массивных объектов.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".
