Исследователи впервые наблюдают "квантовый эффект бумеранга"
Квантовый эффект бумеранга был предсказан в 2019 году командой из CNRS. Он описывает тот факт, что после первоначального импульса частицы в определенных материалах обычно возвращаются в исходное положение. Этот теоретический эффект основан на явлении, называемом "локализацией Андерсона", которое приводит к отсутствию рассеяния волн в неупорядоченной среде. Впервые группа физиков из Калифорнийского университета сообщает о том, что наблюдала этот эффект экспериментально.
Феномен локализации Андерсона был впервые продемонстрирован в 1958 году. Американский физик П. У. Андерсон показал, что в случайных решетках рассеяние волн должно происходить посредством квантовых переходов между локализованными участками, но при достаточно низкой плотности рассеяние невозможно. Например, в материале, состоящем из атомов, расположенных совершенно беспорядочно, электроны становятся локализованными: они как бы застревают в определенном месте и больше не могут проводить электричество.
Это явление относится ко всем видам волн (электромагнитным, акустическим, квантовым, спиновым и т.д.) и может возникать в материалах со структурными дефектами (недостающие атомы, дефектная укладка, примеси и т.д.). Именно на этой локализации основан квантовый эффект бумеранга: независимо от начального направления, рассеяние не может происходить нормально, поэтому волновой пакет возвращается в начальную точку и остается там.
Физику Дэвиду Уэлду и его коллегам из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре удалось экспериментально наблюдать этот эффект, анализируя поведение ультрахолодных атомов лития вместо электронов. Эти атомы, которые изначально были неподвижны, подвергались воздействию коротких лазерных импульсов; затем исследователи смогли наблюдать, что в среднем они возвращались в свое первоначальное неподвижное состояние.
Благодаря этому эксперименту команда также смогла прояснить решающую роль симметрий начального состояния. Уэлду и его коллегам удалось определить условия, необходимые для устранения этого явления. Теоретически, для возникновения эффекта бумеранга необходима "симметрия, обратная времени" (или Т-симметрия) - другими словами, частицы должны вести себя одинаково при движении времени вперед, как и при движении времени назад. Изменив время первого лазерного выстрела так, чтобы схема выстрелов была нестандартной, исследователи нарушили симметрию обратного хода времени, и эффект бумеранга исчез, как и ожидалось.
Полученные результаты находятся в полном согласии с теоретическими расчетами, приведенными выше. "Подчеркивая ключевую роль локализации, мы наблюдаем, что когда стохастический удар разрушает динамическую локализацию, квантовый эффект бумеранга также исчезает. [...] Эти результаты представляют собой уникальное экспериментальное исследование квантовой природы локализованной материи Андерсона", — пишут исследователи в своей работе, опубликованной в журнале .
Этот эффект, как и многие другие странные явления, является результатом принципа корпускулярно-волнового дуализма, на котором основана квантовая физика. Любая квантовая система может быть описана волновой функцией, представляющей плотность вероятности измеряемой переменной (в частности, положения частицы). Таким образом, все квантовые частицы могут вести себя как волны, которые могут объединяться по желанию.
В случае эффекта бумеранга эти волны объединяются таким образом, чтобы благоприятствовать траектории, которая возвращает частицу в точку ее происхождения (и попутно устраняет другие возможности). "Это чисто квантовый эффект, поэтому он не имеет эквивалента в классической физике", — объясняет физик Доминик Деланд из CNRS и лаборатории Кастлера Бросселя в Париже, который вместе со своими коллегами предсказал этот эффект в 2019 году. Квантовый бумеранг — это истинный признак локализации Андерсона: "он существует тогда и только тогда, когда локализована квантовая динамика", — писали они в то время.