Квантовая механика имеет дело с поведением Вселенной в сверхмалом масштабе: атомы и субатомные частицы действуют способами, которые классическая физика не может объяснить. Чтобы исследовать это противоречие между квантовым и классическим, ученые пытаются заставить все большие и большие объекты вести себя квантовым образом.
В случае данного конкретного исследования, рассматриваемый объект представляет собой крошечную стеклянную наносферу диаметром 100 нанометров – примерно в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. На наш взгляд, это очень и очень мало, но с точки зрения квантовой физики, на самом деле это довольно огромное количество, состоящее из 10 миллионов атомов.
Продвижение такой наносферы в области квантовой механики на самом деле является огромным достижением, и все же это именно то, что физики сейчас достигли. Используя тщательно откалиброванные лазерные лучи, наносфера была подвешена в своем самом низком квантовом механическом состоянии, одном из чрезвычайно ограниченных движений, где может начаться квантовое поведение.
«Это первый случай, когда такой метод был использован для управления квантовым состоянием макроскопического объекта в свободном пространстве»говорит Лукас Новотны, профессор фотоники Швейцарии
Чтобы достичь квантовых состояний, движение и энергия должны быть набраны прямо вниз. Новотный и его коллеги использовали вакуумный контейнер, охлажденный до -269 градусов по Цельсию (-452 градуса по Фаренгейту).
Используя интерференционные волны, генерируемые двумя лазерными лучами, исследователи рассчитали точное положение наносферы внутри ее камеры, необходимые для приближения движения объекта к нулю, используя электрическое поле, создаваемое двумя электродами. Как только это низшее квантово-механическое состояние будет достигнуто, могут начаться дальнейшие эксперименты.
«Чтобы ясно видеть квантовые эффекты, наносферу нужно замедлить… вплоть до его подвижного основного состояния»
«Это означает, что мы замораживаем энергию движения сферы до минимума, близкого к квантово-механическому нулевому движению.»
говорит инженер-электрик Феликс Теббенйохансиз ETH Zurich.
Хотя подобные результаты были достигнуты и раньше, они использовали так называемый оптический резонатор для балансировки объектов с помощью света. Используемый здесь подход лучше защищает наносферу от возмущений и означает, что объект можно рассматривать изолированно после выключения лазера, хотя для реализации этого потребуется много дальнейших исследований.
Исследователи надеются, что их выводы могут быть полезны — это изучение того, как квантовая механика заставляет элементарные частицы вести себя как волны. Вполне возможно, что сверхчувствительные установки, подобные этой «наносфере-1», также могут помочь в разработке датчиков следующего поколения, превосходящих все, что мы имеем сегодня.
Управление левитацией такой большой сферы в криогенной среде представляет собой значительный скачок к макроскопическому масштабу, где можно исследовать грань между классическим и квантовым.
«Наряду с тем фактом, что оптический потенциал захвата очень хорошо контролируется, наша экспериментальная платформа предлагает путь к исследованию квантовой механики в макроскопических масштабах», — заключают исследователи после проведения эксперимента.
Источники:
