Квантов пробив: Металните наночастици могат да се държат като квантови обекти

В ежедневието макроскопичните обекти като камъни или прахови частици се държат според класическата физика – те имат ясни траектории и позиции. Квантовата механика досега е потвърдена експериментално само за много малки обекти: електрони, атоми или прости молекули. Нов експеримент на учени от Австрия и Германия прекрачва тази граница, като показва, че дори големите метални клъстери могат да се намират в квантова суперпозиция.

Изследователи от Виенския университет и Университета в Дуисбург-Есен за първи път демонстрираха квантово поведение в метални наночастици, съставени от хиляди натриеви атоми. Тези частици, с размери около 8 нанометра и тегло над 170 000 атомни единици, тежат повече от повечето протеини, но въпреки това се оказа, че се подчиняват на законите на квантовата механика, като проявяват вълнови свойства. Теоретичната основа на експеримента е създадена в резултат на десетилетна работа по интерферометрията на близкото поле, извършена от Клаус Хорнбергер от университета Дуисбург-Есен.

За целите на експеримента учените създават студени натриеви клъстери, съдържащи между 5000 и 10 000 атома, и ги прекарват през три дифракционни решетки, създадени с ултравиолетови лазери. Първият лазер фиксира позицията на частицата с най-голяма точност, като на практика я „подготвя“ в суперпозиция от възможните пътища. Когато тези пътища се сближават отново, те образуват лентова интерференчна картина, сглобена от самите метални частици. Това е пряко доказателство за тяхната вълнова природа, пише IE.

„Интуитивно човек би очаквал толкова голямо парче метал да се държи като класическа частица“, казва Себастиан Педалино, водещ автор на изследването. – Фактът, че то все още интерферира, показва, че квантовата механика е валидна дори в такъв мащаб и не изисква алтернативни модели.“

Физиците използват понятието макроскопичност, за да оценят колко точно даден експеримент изследва границите на квантовата механика. При този експеримент е постигната стойност μ = 15,5, която е около десет пъти по-висока от всички предишни резултати. За сравнение, постигането на същото ниво с помощта на електрони би изисквало квантовата кохерентност да се запази в продължение на 100 милиона години.

В допълнение към значението си за фундаменталната наука, експерименталната уредба служи като свръхчувствителен сензор за сила, способен да открива въздействия от порядъка на 10-²⁶ Нютона. В бъдеще учените възнамеряват да тестват още по-големи обекти и нови материали, като продължат да разширяват границите на приложимостта на квантовата механика в макроскопичния свят.