Kvantinė mechanika plečia ribas: interferencija stebėta tūkstančių atomų klasteryje

Fizikai pirmą kartą aiškiai pademonstravo kvantinę interferenciją metalinėms nanodalelėms, sudarytoms iš tūkstančių atomų. Eksperimentas reikšmingai praplečia ribą, kokio mastelio objektuose dar galima tiesiogiai patikrinti kvantinės mechanikos dėsnius. Šį kartą kalbama ne apie elektroną, pavienį atomą ar nedidelę molekulę, o apie daugiau nei 7000 natrio atomų klasterį.

Tokio klasterio skersmuo siekia apie 8 nanometrus, o masė viršija 170 tūkst. daltonų. Nepaisant to, jis vis dar demonstruoja elgesį, būdingą materijos bangų pasauliui.

Tai – naujo tyrimo, publikuoto žurnale Nature, esmė. Vienos universiteto ir Duisburgo-Eseno universiteto komanda parodė, kad tokios didelės metalinės nanodalelės gali suformuoti interferencinį raštą, vadinasi, elgtis pagal kvantinės mechanikos taisykles.

Populiarus teiginys, esą „metalas vienu metu yra dviejose vietose“, yra supaprastinimas, tačiau jis atsirado ne be pagrindo. Praktikoje kalbama apie būseną, kai objektą neįmanoma aprašyti kaip skrendantį viena aiškia, klasikine trajektorija. Tik matavimas „uždaro“ šį neapibrėžtumą.

Eksperimento reikšmė didesnė, nei gali pasirodyti iš pirmo žvilgsnio. Tyrėjai pasiekė makroskopiškumo lygį μ = 15,5 – tai daugiau nei ankstesniuose panašaus tipo bandymuose. Šis rezultatas dar kartą rodo, kad riba tarp kvantinio ir klasikinio pasaulių nėra ten, kur ją dažnai diktuoja intuicija.

Ne atomas, o gerokai didesnis objektas

Daugelį metų fizikai kvantines savybes pademonstruodavo vis naujuose objektuose, tačiau jie dažniausiai būdavo tokie maži, kad lengva numoti ranka ir sakyti: „tame mastelyje viskas gali būti keista“. Sunkumai prasideda tada, kai objektas tampa didesnis, sunkesnis ir labiau panašus į tai, ką kasdienėje kalboje pavadintume tiesiog materijos dalele.

Būtent todėl šiame eksperimente panaudoti natrio klasteriai yra tokie svarbūs. Daugiau nei 7000 atomų – tai jau mastas, kurį intuicija nenoriai „atiduoda“ kvantinei mechanikai. Nors objektas išlieka mikroskopinis, jis nebėra „vadovėliškai mažas“.

Tyrėjai atkreipia dėmesį, kad tokių nanodalelių dydis yra palyginamas su šiuolaikinių puslaidininkių technologijų elementais. Dėl to eksperimentas atrodo nebe kaip egzotiškų dulkių žaidimas, o kaip bandymas su medžiaga, esančia daug arčiau realios technologijų praktikos.

Kuo objektas didesnis, tuo sunkiau išlaikyti jo kvantinę darną: aplinka itin efektyviai ardo subtilias kvantines būsenas. Todėl aiškus interferencijos signalas reiškia, kad kvantinė mechanika dar kartą „išlaikė egzaminą“ ten, kur daugelis būtų tikėjęsi vien klasikinio elgesio.

Kaip patikrinta, kad metalas nesielgia kaip įprastas „kamuoliukas“?

Eksperimentas buvo paremtas materijos bangų interferometrija. Supaprastintai tariant, atšaldyti natrio klasteriai buvo leidžiami per trijų difrakcinių gardelių sistemą, suformuotą ultravioletine šviesa. Toks sprendimas leidžia kvantinį dalelės aprašą „išskleisti“ į kelis galimus kelius, o vėliau patikrinti, ar šie keliai susideda į būdingą interferencinį raštą.

Jeigu objektas elgtųsi kaip įprasta dalelė, skrendanti vienu aiškiu keliu, interferencijos nebūtų. Ji atsiranda todėl, kad kelyje neįmanoma kalbėti apie vieną nusistovėjusią trajektoriją klasikine prasme. Tai nėra vien kalbinė gudrybė ar filosofinė metafora – tai išmatuojamas efektas. Būtent tokį signalą ir pavyko užfiksuoti didelėms metalinėms nanodalelėms.

Tai svarbu ir dėl to, kad populiarūs aiškinimai neretai nuslysta į „kvantinės magijos“ pusę. Tačiau čia viskas remiasi griežta eksperimentine logika: objektas įvedamas į sistemą, pereina kruopščiai parengtas sąlygas, o pabaigoje palieka pėdsaką, kurio neįmanoma įtikinamai paaiškinti klasikiniu vieno kelio vaizdiniu.

Ką šis rezultatas keičia?

Šį pasiekimą būtų galima pavadinti dar viena kvantinės mechanikos „keistumo“ pergale, tačiau svarbiausia yra ne keistumas. Reikšmė ta, kad tokie eksperimentai mažina erdvę alternatyvioms hipotezėms, bandančioms apriboti kvantinius reiškinius dideliuose objektuose.

Jau seniai keliamos idėjos, esą egzistuoja natūrali mastelio riba, kurią peržengus pasaulis „privalo“ pereiti prie klasikinio elgesio. Kol kas vis nauji bandymai šią ribą nuosekliai stumia tolyn.

Autorių naudojamas makroskopiškumo rodiklis leidžia palyginti skirtingų bandymų „stiprumą“. μ = 15,5 reiškia, kad šis darbas yra griežtesnis kvantinės mechanikos patikrinimas nei ankstesni panašios klasės eksperimentai. Fizikoje tai nėra kosmetinis patikslinimas – tai realus poslinkis tame, ką apskritai pajėgiame ištirti.

Praktiniu požiūriu rezultatas gali būti reikšmingas ir technologijoms: materijos bangų interferometrai yra itin jautrūs mažoms jėgoms, pagreičiams bei menkiems išoriniams trikdžiams. Todėl tokio tipo platformos ateityje gali būti naudingos ne tik fundamentaliems fizikos pagrindams tikrinti, bet ir kuriant ypač tikslius jutiklius.

Šaltinis: „Sci Tech Daily“