Kvantu mehānika jau desmitiem gadu ir pierādījusi, ka mazākās daļiņas var uzvesties tā, kas izaicina veselā saprāta robežas. Bet kas notiek, ja tiek pārbaudīti nevis atsevišķi elektroni vai atomi, bet gan veseli tūkstošiem metāla atomu klāsteri? Atbilde nupat ir saņemta no laboratorijas Vīnē: jā, arī šādas makroskopiskas struktūras var nonākt kvantu superpozīcijas stāvoklī, it kā tās eksistētu vairākās vietās vienlaikus. Fiziķu komanda ir izdevies ievietot metāla nātrija nanopartikulas — kas sastāv no līdz pat 10 000 atomiem — stāvoklī, kas pazīstams kā “Šrēdingera kaķis”. Šajā stāvoklī katrai daļiņai nav fiksēta atrašanās vieta, bet tā uzvedas tā, it kā atrastos vairākās vietās vienlaikus. Atklājums, kas publicēts žurnālā Nature, ir viens no nozīmīgākajiem sasniegumiem centienos izprast, cik tālu var stiept kvantu loģiku, pirms pasaule kļūst „klasiska”.
Eksperiments, kas domāts, lai paplašinātu robežas
Darbs tika veikts Vīnes Universitātes un Duisburgas-Esenes Universitātes pētnieku komandas, un tas ir nozīmīgs solis tā saucamās „kvantu makroskopijas” izpētē. Līdz šim kvantu interferences eksperimenti tika veikti ar atomiem, vienkāršām molekulām vai vieglām bioloģiskām struktūrām. Šajā gadījumā galvenās lomas tēlotāji bija metāla nanodaļiņas, kuru masa pārsniedz 170 000 daltonus, kas ir lielāka nekā daudziem sarežģītiem proteīniem.
Lai to panāktu, zinātnieki izmantoja interferometrijas tehniku ar vielu, kurā klasteri tiek atdzesēti, izlīdzināti un pēc tam izvadīti caur trīs režģiem, kas radīti ar ultravioleto lāzeru. Rezultāts bija redzams interferences raksts: sava veida viļņu nospiedums, ko var izskaidrot tikai ar to, ka daļiņas uzvedas kā kvantu viļņi.
Eksperimenta atslēga ir ne tikai daļiņu izmērs, bet arī attālums, ko tās veic, netiekot izmērītas. Šajā ceļā to pozīcija nav fiksēta. Tas ir delokalizācijas process, kas, pēc komandas teiktā, pārsniedz pašu daļiņu izmēru “vairāk nekā par vienu kārtu”.
Fizikas slavenākā kaķa atgriešanās
Termins „Šrēdingera kaķa stāvoklis” nav tikai kultūras atsauce. Fizikā to izmanto, lai aprakstītu situācijas, kad sistēma vienlaikus var atrasties divos savstarpēji izslēdzošos stāvokļos. Šajā gadījumā nātrija kopas telpā vienlaikus atradās „šeit un tur”.
Viens no tiešākajiem citātiem zinātniskajā rakstā skaidro: „Šis kvantu stāvoklis ir analogs Šrēdingera kaķim: šeit makroskopiskais objekts izaicina intuīciju, jo ietver klasiski atšķirīgu trajektoriju pārklāšanos”.
Visvairāk pārsteidz tas, ka šie kvantu stāvokļi eksperimenta laikā nesabruka. Interferences palika redzamas, kas pastiprina kvantu modeļa derīgumu pat liela izmēra objektiem. Citiem vārdiem sakot, kvantu pasaule neapstājas pie elektroniem vai mazām molekulām: tā sniedzas daudz tālāk.
Kā tika veidots šis bezprecedenta eksperiments
Lai sasniegtu šo rezultātu, komanda izstrādāja eksperimentālu platformu ar nosaukumu MUSCLE (no angļu valodas saīsinājuma). Tur nātrija kopas tiek ģenerētas agregācijas kamerā un atdzesētas līdz 77 kelviniem.
Tad tos virza caur Talbot–Lau interferometra konfigurāciju, kas izmanto trīs optiskos režģus, kuri veidoti no ultravioleto gaismas staru kūļiem.
Katram režģim ir sava specifiska funkcija: pirmais sagatavo koherenci, otrais darbojas kā fāzes režģis, bet trešais ļauj reģistrēt rezultātā iegūto modeli.
Izmantotā tehnoloģija ļauj precīzi kontrolēt kvantu trajektoriju un mērīt novirzes ar ārkārtēju jutību.
Rezultātā iegūtais signāls bija skaidrs: joslu modelis, kas rodas tikai tad, ja daļiņas darbojas kā viļņi, un ko nevar izskaidrot ar klasiskajām trajektorijām. Modeļa redzamība sasniedza līdz 10 % vidējās masas kopās un līdz 66 % masīvākās daļiņās. Rakstā teikts: “Mēs novērojām plaši delokalizētu masīvu daļiņu interferenci, pierādot, ka standarta kvantu mehānika šajā mērogā joprojām ir spēkā”.
Ko nozīmē sasniegt rekordisku makroskopiskumu
Viens no izcilākajiem pētījuma ieguldījumiem ir sasniegtais kvantiskās makroskopiskuma vērtējums, kas ir pēdējos gados ieviests mērījums, lai kvantificētu, cik “liela” vai “klasiska” ir sistēma kvantiskā stāvoklī. Jo lielāka vērtība, jo lielāka eksperimenta spēja atspēkot alternatīvās teorijas, kas apgalvo, ka kvantiskā fizika lielā mērogā nedarbojas.
Šajā gadījumā eksperiments sasniedza vērtību μ = 15,5, kas par kārtu pārsniedz iepriekšējo rekordu. Pēc pašu autoru teiktā, lai sasniegtu tādu pašu pārbaudes līmeni ar elektroniem, būtu nepieciešams uzturēt to pārklāšanos simts miljonus gadu. Savukārt šiem klasteriem bija nepieciešama tikai viena simtdaļa sekundes.
Tas nozīmē, ka nav nepieciešams mainīt Šrēdingera vienādojumu, lai izskaidrotu novēroto, kas pastiprina kvantu modeļa stabilitāti pat mikroskopiskā un makroskopiskā robežzonā.
Un tagad? Kvantu fizikas nākotne ar nanodaļiņām
Eksperiments ne tikai pierāda, ka kvantu likumi attiecas uz lielākiem objektiem, nekā tika uzskatīts. Tas arī paver ceļu jauniem pētījumiem ar vēl sarežģītākiem materiāliem, tostarp biomolekulām un maziem vīrusiem.
Turklāt izmantotajam interferometram ir praktiskas pielietojuma iespējas: tas darbojas kā ārkārtīgi jutīgs spēka sensors, kas spēj uztvert mijiedarbību 10-26 ņūtonu diapazonā. To varētu izmantot, lai izmērītu izolētu nanopartikulu elektriskās, magnētiskās vai optiskās īpašības, papildinot esošās nanotehnoloģijas metodes.
Komanda cer, ka, veicot tehniskus uzlabojumus, eksperimenta jutīgums tiks palielināts vairākkārt. Tā arī plāno paplašināt analizējamo daļiņu veidus, iekļaujot citas materiālu klases. Šis sasniegums ne tikai izaicina fizikas teorētiskās robežas, bet arī var radīt konkrētu ietekmi uz tehnoloģijām nākamajos gados.
