Ученые продемонстрировали волновое поведение крупных металлических наночастиц в квантовом эксперименте
Международная группа исследователей из Венского университета и Дуйсбург-Эссенского университета впервые экспериментально показала, что металлические наночастицы, состоящие из тысяч атомов, подчиняются законам квантовой механики и демонстрируют волновые свойства. Этот прорывной эксперимент расширяет границы применимости квантовой теории, перенося её в область объектов, которые ранее считались полностью подчиняющимися классической физике.
Объектами исследования стали наночастицы натрия размером около 8 нанометров, сопоставимые с элементами современных электронных транзисторов. Несмотря на свою массу, превышающую 170 000 атомных единиц массы и делающую их тяжелее большинства белковых молекул, частицы проявили квантовую интерференцию. Ученые под руководством Маркуса Арндта и Штефана Герлиха создали холодные кластеры, содержащие от 5 до 10 тысяч атомов натрия, и направили их через интерферометр, использующий дифракционные решетки из ультрафиолетового лазерного света.
Первый лазер фиксировал положение каждой частицы с высочайшей точностью, создавая суперпозицию возможных траекторий. При их последующем сведении на детекторе возникала характерная полосатая интерференционная картина, сложенная из самих металлических частиц. Этот результат доказывает, что во время полета частицы не имели определенной локации, а их квантовая "размазанность" значительно превышала физический размер кластеров. Как отмечает ведущий автор исследования, докторант Себастьян Педалино, интуитивно ожидаешь, что такой крупный комок металла будет вести себя как классическая частица, однако факт интерференции подтверждает, что квантовая механика действует даже в этом масштабе.
Теоретическую основу эксперимента, основанного на методах интерферометрии в ближней зоне, разработал Клаус Хорнбергер из Дуйсбург-Эссенского университета. Важным достижением работы стало рекордное значение параметра "макроскопичность" (μ = 15.5), которое примерно в десять раз превышает результаты предыдущих квантовых экспериментов. Это означает установление строгих ограничений для альтернативных квантовых теорий. Кроме фундаментального значения, установка функционирует как сверхчувствительный датчик сил, способный детектировать воздействия порядка 10^(-26) ньютонов. В планах исследователей — тестирование еще более крупных объектов и новых материалов для дальнейшего проникновения в макроскопический мир.
Результаты исследования в журнале Nature.