Кот Шрёдингера стал на шаг ближе: алмаз перемещен с помощью квантового эффекта

Фото из открытых источников

Группа исследователей из Окинавского института науки и технологий в Японии использовала магнетизм электронов, захваченных внутри алмаза, для приведения в движение левитирующего устройства, и величина движения оказалась достаточно большой для измерения. По словам авторов, это первый случай наблюдения подобного эффекта у объекта такого размера.

В лаборатории Окинавского института науки и технологий (OIST) в Японии алмазная пластина размером меньше ластика подвешена на стержне из углеродного волокна длиной около 5 сантиметров. Стержень прикреплен к графитовой пластине, которая парит в воздухе над четырьмя магнитами. Никто к ней не прикасается. Когда включается зеленый лазер и направляется на алмаз, вся конструкция смещается в сторону расположенного снизу магнита. Когда лазер выключается, она смещается обратно. Если вспышки повторяются в правильном ритме, колебания становятся все больше и больше.

Само движение ничтожно мало, примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Важно то, откуда исходит этот импульс. По словам исследователей, он не вызван нагревом лазера или сквозняками. Он возникает из-за магнетизма электронов, захваченных алмазом, свойства, которое физики называют спином, и которое подчиняется законам квантовой физики.

Исследование было подписано Аншуманом Наяком, Дэхи Ким, Шилу Тианом и Джейсоном Твамли из подразделения квантовых машин в OIST. Оно было опубликовано в журнале Science Advances.

Квантовая физика описывает поведение атомов и частиц. Лазеры, аппараты МРТ и чипы в ваших телефонах — всё это основано на ней. Однако её самые странные эффекты наблюдались только на очень малых объектах. Один из них — суперпозиция: частица может находиться в нескольких местах одновременно, пока кто-то её не измерит. Эрвин Шрёдингер довёл эту идею до предела в 1935 году со своим знаменитым котом, который находился одновременно живым и мёртвым в закрытом ящике, пока его не откроют.

Проблема заключается в крупных объектах, поскольку их трудно изолировать от окружающей среды. Даже небольшое количество тепла или вибрации нарушает эти эффекты и сводит их на нет. В результате никто не подтвердил, что квантовая физика по-прежнему применима к объектам размером более нескольких десятков нанометров, примерно равным размеру самых маленьких вирусов.

Размер имеет значение по более глубокой причине, и эта причина — гравитация. Её влияние пренебрежимо мало в мире частиц, где наблюдаются квантовые явления. Чтобы выяснить, является ли гравитация сама по себе квантовой или работает полностью классическим образом, исследователям необходимо поместить в состояние суперпозиции объекты, достаточно тяжёлые, чтобы её ощущать. Это один из вопросов, который, как напоминает OIST в своём пресс-релизе, Альберт Эйнштейн оставил открытым в последние десятилетия своей жизни, наряду с природой тёмной материи и тем, что происходит внутри чёрной дыры.

Обычно начинают с мельчайших частиц и постепенно добавляют массу. Наяк говорит, что его группа поступает наоборот и начинает с крупных объектов. Твамли описывает результат как классический механический отклик на квантовую силу в объекте, масса которого в сто миллионов — миллиард раз превышает массу объектов, использованных в более ранних экспериментах подобного рода.

Установка состоит из трех частей. Первая — это платформа, которая левитирует без какого-либо контакта. Графит является диамагнитным материалом, то есть магниты отталкивают его, и когда он располагается над четырьмя магнитами в правильном порядке, он просто парит. Это тот же принцип, с помощью которого Андре Гейм и Майкл Берри в 1997 году заставили левитировать лягушку — эксперимент, за который они получили Шнобелевскую премию в 2000 году (пародийная награда за исследования, которые сначала вызывают смех, а затем заставляют задуматься). Гейм впоследствии получил Нобелевскую премию по физике в 2010 году за свою работу по графену. Небольшое зеркало на верхней части пластины позволяет лазеру отслеживать ее положение, поэтому любое движение регистрируется.

Вторая часть — это алмаз, который висит под платформой. Это не идеальный алмаз, и в этом вся суть. Он содержит азотно-вакансионные центры — крошечные дефекты, в которых атом азота располагается на месте атома углерода, прямо рядом с пустым пространством. Каждый дефект захватывает один неспаренный электрон, и этот электрон ведет себя как очень маленький магнит. Алмаз содержит миллиарды таких магнитов, и по умолчанию каждый из них направлен туда, куда ему угодно.

Третья часть — это цилиндрический магнит под алмазом, магнитное поле которого усиливается по мере приближения к нему. Зелёный лазер заставляет крошечные магниты в алмазе выстраиваться в значительную линию. Поскольку большинство из них направлены в одну сторону, алмаз в целом становится более магнитным, и магнит под ним притягивает его сильнее. Когда лазер выключается, электроны возвращаются в беспорядок, и притяжение ослабевает. Этот метод — старый в физике. Как отмечается в исследовании, Отто Штерн и Вальтер Герлах использовали его в период с 1921 по 1922 год для измерения магнетизма атомов, наблюдая за их отклонениями в неравномерном магнитном поле.

Время тоже имело значение. Вся конструкция раскачивается сама по себе примерно 18 раз в секунду, и команда включала и выключала лазер именно с такой частотой, словно кто-то в нужный момент раскачивает ребенка на качелях. Небольшие, но своевременные толчки суммируются.

Такое незначительное движение может иметь множество причин, и авторы посвятили значительную часть работы их исключению. Очевидным подозреваемым стало тепловое воздействие. Лазер нагревает алмаз примерно на 3 °C, а теплый воздух также оказывает давление. Чтобы уменьшить этот эффект, алмаз подвешен далеко от графитовой пластины и в открытом пространстве.

Затем последовали контрольные испытания. Когда команда убрала магнит под алмазом, сигнал исчез. Когда они заменили зеленый лазер на инфракрасный, который не может синхронизировать вращения, сигнал также исчез. С зеленым лазером и магнитом на месте движение с таким ритмом значительно превышало обычный фоновый шум системы.

Ещё один эксперимент касался размера магнита. Магнит вдвое большего диаметра создавал более сильное поле, но оно медленнее изменялось с расстоянием, и сила оказалась слабее. Авторы пришли к выводу, что важна скорость изменения поля, а не его сила, что соответствует идее Штерна и Герлаха. Они также обнаружили, что сила возрастала с увеличением мощности лазера, как и предсказывала их теоретическая модель, пока не приблизилась к максимуму.

В пресс-релизе OIST говорится об «объекте сантиметрового масштаба», но сама алмазная пластина имеет размеры 3 на 3 миллиметра и толщину полмиллиметра. Сантиметровый масштаб относится ко всему устройству, включая графитовую пластину шириной в сантиметр и стержень длиной 5 сантиметров. Общая масса составляет около 128 миллиграммов, что чуть больше пяти зерен риса. В повседневной жизни это почти ничто, а для эксперимента такого рода — очень много.

Измеренная командой сила, превышающая пять наноньютонов (миллиардных долей ньютона), примерно равна весу половины миллионной доли грамма — количеству вещества, которое невозможно увидеть невооруженным глазом. Тем не менее, авторы отмечают, что это было достигнуто путем изменения лишь небольшой части спинов, а не всех. Это предполагает возможность использования в качестве очень чувствительного датчика, и сама команда упоминает обнаружение темной материи или гравитационных волн среди возможных применений в будущем.

На данный момент ничто из наблюдаемого не является квантовой суперпозицией алмаза. Движение классическое. Сила, стоящая за ним, имеет квантовое происхождение, и именно в этом, по утверждению авторов, заключается новизна. Следующий шаг требует помещения установки в вакуум, где воздух больше не замедляет колебания. Согласно статье, в этом случае движение может увеличиться как минимум в десять раз, а с улучшенным резонатором (частью, которая качается) — значительно больше.

Существует также более обыденное ограничение. Чувствительность измерений определяется не прибором, а окружающим шумом самой лаборатории. По мнению авторов, лучшая изоляция от вибраций позволила бы добиться тысячекратного увеличения чувствительности.

Твамли настроен оптимистично. Он считает, что для того, чтобы исследователи смогли «наблюдать кота Шрёдингера в реальной жизни», достаточно «ещё одного порядка величины», то есть в десять раз больше. Насколько этот скачок близок к истине, ещё предстоит выяснить. Неизвестно, может ли подобная суперпозиция существовать в столь массивном объекте, и вопрос, который лежит в основе всех этих усилий, — подчиняется ли гравитация квантовым правилам или является исключительно классической, — до сих пор остаётся без ответа.