Учените промениха представите си за квантовата ротация

Изследователи от Националния университет на Сингапур (NUS) и Университета на Нов Южен Уелс (UNSW) в Сидни доказаха, че въртящото се атомно ядро наистина е фундаментален квантов ресурс. Екипите са ръководени от професор Валерио Скарани от Катедрата по физика в NUS и професор Андреа Морело от Инженерния факултет в UNSW. Изследването е публикувано в списание Newton на 14 февруари.

Досега се смяташе, че частици като електрони и протони имат квантови свойства, защото траекторията им се променя от магнитно поле. Когато обаче такива частици се въртяха свободно, поведението им изглеждаше идентично с класически обекти като виенско колело. В продължение на повече от половин век специалистите по ядрено-магнитен резонанс приемаха този факт като неизменна истина.

По същата причина операторите на апаратите за магнитно-резонансна томография (МРТ) не се нуждаеха от дълбоки познания по квантова механика. Въртенето на протоните в тялото на пациента създава магнитно поле, точно както ако магнит е прикрепен към въртящо се колело.

Новото изследване на учените за първи път експериментално доказва квантовата природа на въртящите се атомни ядра.

Разкриване на загадката

Професор Скарани, заместник-директор на Центъра за квантови технологии в Сингапур предлага теорията, след като вижда работата на математика Борис Цирелсон, публикувана 15 години по-рано. Изследванията на Цирелсон описват вероятностни модели на движение на обекти, които правят осцилации.

Ученият се чуди дали този подход може да се използва за обяснение на ротационното поведение на квантовите обекти. В сътрудничество със своя студент Зау Лин Хту той работи по проблема в продължение на няколко години, преди да започне да проверява хипотезата експериментално.

В Университета на Нов Южен Уелс професор Морело и екипът му осигуряват оборудване за свръхпрецизни измервания. При експеримента учените задвижили ядрото на антимонов атом и записали позицията му на всеки от седемте етапа на един цикъл.

„Ако си представите въртящото се ядро като колело на късмета, класическата физика твърди, че стрелката му ще сочи надясно три или четири пъти от седем – не повече. Квантовата теория, от друга страна предсказва, че в специално състояние е възможно да се надхвърли тази граница.“

обяснява професор Скарани

Потвърждение на квантовата природа

Експеримент, проведен от докторанта Ариен Ваартйес и д-р Мартин Нурицо под ръководството на професор Морело потвърждава това предсказание. Разликата между класическото и квантовото поведение се оказва малка, но статистически значима.

„Преди се смяташе, че е невъзможно да се докаже квантовата природа на спина на ядрото само чрез наблюдение на прецесията му в магнитно поле. Сега ние показахме, че това е възможно. Използвахме специални квантови състояния, включително така нареченото състояние на котката на Шрьодингер, за да разкрием отклонението от класическия модел.“

коментира професор Морело

Този пробив не само задълбочава фундаменталното разбиране на квантовата механика, но и открива нови възможности в квантовите изчисления, тъй като подобни специални състояния биха могли да бъдат важен ресурс за квантовите технологии.

С откритието, направено в годината, която Организацията на обединените нации обяви за Международна година на квантовата наука и технологии, изследователите не само потвърдиха вековни принципи на квантовата механика, но и принудиха научната общност да погледне на тях по нов начин.