Zespół badawczy zdołał wykazać, że skupiska metalu składające się z tysięcy atomów wciąż podlegają prawom kwantowym, zachowując się jak fale. Osiągnięcie to nie jest jedynie akademicką ciekawostką – stanowi obecnie najlepszy test mechaniki kwantowej na skali makroskopowej w historii. Jego wyniki mogą pomóc wyjaśnić, dlaczego w naszej codzienności nie spotykamy obiektów będących w dwóch miejscach naraz, skoro na poziomie mikroświata jest to standard.
Metaliczne klastry sodu interferują jak fale kwantowe
Grupa fizyków pod kierunkiem Markusa Arndta i Stefana Gerlicha z Uniwersytetu Wiedeńskiego przeprowadziła niezwykłą demonstrację. Wykorzystali nanocząstki sodu o średnicy około 8 nanometrów, których masa odpowiadała ponad 170 tysiącom atomowych jednostek masy – są więc większe niż wiele cząsteczek białek. Mimo tak pokaźnych rozmiarów, te metaliczne bryłki nadal wykazywały kwantową naturę falową, co przejawiało się w ich interferencji. Sebastian Pedalino, główny autor pracy, przyznaje, że intuicja podpowiadałaby klasyczne zachowanie obiektów tej skali. Fakt, że wciąż interferują, świadczy jednak o tym, że mechanika kwantowa pozostaje obowiązująca i nie potrzebuje alternatywnych modeli wyjaśniających.
Czytaj także: Nowy stan kwantowy materii pozwoli na stworzenie technologii przyszłości
Eksperyment w pewnym sensie materializuje słynny paradoks kota Schrödingera. W laboratorium każda nanocząstka znajduje się w stanie superpozycji, czyli jest jednocześnie „tu” i „tam”, dopóki jej położenia nie zmierzy detektor.
Metoda MUSCLE i interferometria bliskiego pola
Sercem doświadczenia jest precyzyjna konfiguracja zwana MUSCLE. Naukowcy wytwarzają w niej zimne klastry sodu, zbudowane z 5 do 10 tysięcy atomów każdy. Te mikroskopijne grudki metalu są następnie przepuszczane przez trzy siatki dyfrakcyjne, które nie są fizycznymi przeszkodami, lecz tworzonymi za pomocą ultrafioletowych laserów wzorcami przestrzennymi. Na wyjściu układu rejestrowany jest wyraźny wzór prążków interferencyjnych, podobny do tego, jaki daje światło przechodzące przez szczelinę. Wzór ten stanowi bezpośredni dowód, że położenie cząstek nie było ustalone podczas lotu. Co więcej, tak zwana delokalizacja – czyli „rozmycie” pozycji każdej nanocząstki – okazała się dziesiątki razy większa niż jej fizyczny rozmiar. Oznacza to, że każda z tych metalowych bryłek faktycznie znajdowała się w wielu miejscach jednocześnie, aż do momentu pomiaru.
Makroskopowość mi wynosi 15.5. Najlepszy test mechaniki kwantowej
Aby móc obiektywnie porównywać różne eksperymenty kwantowe, od badań nad pojedynczymi atomami po wibrujące membrany, Klaus Hornberger i Stefan Nimmrichter wprowadzili specjalną miarę zwaną makroskopowością, oznaczaną grecką literą mi. Im wyższa jej wartość, tym bardziej „duży” i wymagający jest dany test podstaw mechaniki. W doświadczeniu wiedeńskiego zespołu udało się osiągnąć wartość mi równą 15,5. To około dziesięć razy więcej niż w jakimkolwiek poprzednim udokumentowanym eksperymencie na świecie.
Dla zobrazowania skali tego osiągnięcia warto rozważyć hipotetyczny test z użyciem elektronów. Aby uzyskać równie rygorystyczny wynik, superpozycja kwantowa elektronów musiałaby być utrzymywana przez około 100 milionów lat. Tymczasem masywne nanocząstki sodu w tym badaniu potrzebowały na to zaledwie kilkudziesięciu milisekund. Ta kolosalna różnica pokazuje, jak niezwykle trudno jest eksperymentalnie badać zasady kwantowe na coraz większych i masywniejszych obiektach.
Zastosowania w nanotechnologii i przyszłe badania
Choć praca ma przede wszystkim znaczenie fundamentalne, jej praktyczne konsekwencje też rysują się interesująco. Urządzenie użyte w eksperymencie działa jednocześnie jako niebywale czuły czujnik siły, zdolny obecnie wykrywać oddziaływania rzędu 10⁻²⁷ niutona. W przyszłości czułość tę planuje się jeszcze zwiększyć, co otworzy nowe możliwości w precyzyjnym badaniu właściwości elektrycznych, magnetycznych czy optycznych izolowanych nanocząstek. To obiecujące uzupełnienie istniejącego zestawu narzędzi w nanotechnologii.
Czytaj także: Teoria strun ujawniła ukrytą naturę liczby Pi. To przypadkowe odkrycie odmieni nasze obliczenia
Zespół nie zamierza jednak poprzestać na tym rekordzie. W planach są eksperymenty z jeszcze większymi obiektami oraz z innymi rodzajami materiałów. Głównym celem nie jest samo bicie rekordów, lecz systematyczne dążenie do zrozumienia, gdzie przebiega ta ulotna granica. Dlaczego pojedyncze atomy czy nawet ich tysiące mogą być w wielu stanach naraz, a my sami czy przedmioty wokół nas – już nie?
Prace takie jak ta przybliżają nas do odpowiedzi na to pytanie. Każdy kolejny krok w stronę większych obiektów to nie tylko technologiczny wyczyn, ale też lepsze zrozumienie podstaw naszej rzeczywistości. A im lepiej poznamy tę granicę między kwantową osobliwością a klasyczną normalnością, tym sensowniej będziemy mogli wykorzystywać zjawiska kwantowe w przyszłych technologiach, od czujników nowej generacji po obliczenia.