Побит рекорд по размеру объекта, который удалось наблюдать как квантовую волну

Микроскопический сгусток натрия стал самым большим объектом, когда-либо наблюдавшимся в виде волны, превзойдя предыдущие рекорды на тысячи атомов. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Nature.

Квантовая физика определяет частицы с помощью волновых функций, что фактически означает, что вся материя существует одновременно в некоем множестве возможных состояний — так называемой суперпозиции — до момента измерения.

Хотя это наиболее очевидно на субатомном уровне электронов и фотонов, все объекты, от атомов до людей, целых галактик и за их пределами, существуют в состоянии суперпозиции. По крайней мере, в теории. Наблюдение этого явления в постоянно увеличивающихся масштабах представляет собой сложную (если не потенциально невозможную) задачу.

В новом исследовании ученые из Венского университета в Австрии и Университета Дуйсбург-Эссен в Германии сообщили об одном из самых крупных объектов, наблюдавшихся в суперпозиции. Частица имела диаметр примерно 8 нанометров и, обладая массой более 170 000 атомных единиц, была массивнее многих белков.

Их эксперимент показывает, что даже наночастицы натрия, каждая из которых состоит из тысяч отдельных атомов, подчиняются правилам квантовой механики, несмотря на свой относительно огромный размер.

«Интуитивно можно было бы ожидать, что такой большой кусок металла будет вести себя как классическая частица», — говорит ведущий автор исследования Себастьян Педалино из Венского университета. «Тот факт, что это явление всё ещё имеет место, показывает, что квантовая механика остаётся актуальной даже в этом масштабе и не требует альтернативных моделей».

Исследователи пропускали переохлажденные частицы через интерферометр, в котором использовалась серия дифракционных решеток, созданных ультрафиолетовыми лазерами.

После того как первоначальная решетка направляла частицы через узкие промежутки, они двигались дальше волнами длиной от 10 до 22 квадриллионных долей метра. Это приводило к суперпозиции возможных траекторий движения внутри устройства, которую исследователи могли обнаружить с помощью другой решетки в конце линии.

Этот результат свидетельствует о том, что положение частиц не остается неизменным на протяжении ненаблюдаемой части их пути. Частицы демонстрировали эффект «делокализации», во много раз превышающий размер любой отдельной частицы.

В больших масштабах материя, как правило, становится слишком сложной и запутанной с окружающей средой, чтобы отдельные суперпозиции можно было различить. Этот коллапс из суперпозиции в определяемое положение, известный как квантовая декогеренция, может объяснить, почему мы не наблюдаем квантовую механику в макроскопических системах.

Однако в квантовой механике нет установленного предела размера, и, как показывает новое исследование, мы не так далеки от него, как нам могло бы показаться.

Как показали предыдущие исследования, возможно, все различные возможности, представленные квантовой суперпозицией, одинаково допустимы — и вместо того, чтобы схлопываться в единую реальность, они разветвляются, образуя мультивселенную возможностей.