Международная научная коллаборация совершила качественный скачок в проверке границ квантового мира, впервые продемонстрировав интерференцию искусственных металлических наноструктур.
Эксперименты по наблюдению волновых свойств у всё более крупных объектов имеют славную историю. После фундаментальных опытов с электронами и атомами, в начале 2000-х годов научные группы во главе с Маркусом Арндтом и другими совершили прорыв, показав интерференцию сложных органических молекул — фуллеренов C₆₀ и их производных. Эти "мячи" из углерода массой в сотни атомных единиц стали первыми макроскопическими (по меркам микромира) объектами, проявившими квантовую природу.
Затем последовали ещё более сложные молекулы — порфирины, олигофенилены, специально сконструированные "комплексы" с массой до 25 000 атомных единиц. Казалось, это предел: сложные молекулы с их внутренними степенями свободы, вибрациями и вращениями уже бросали вызов квантовой когерентности.
Но настоящая революция произошла сейчас. Команда из Венского университета и Дуйсбург-Эссенского университета впервые перешла от сложных органических молекул к принципиально иному классу объектов — искусственным металлическим наночастицам.
Если предыдущие эксперименты работали с уникальными молекулами, имеющими строгую атомную структуру, то теперь учёные исследовали наночастицы натрия размером около 8 нм — по сути, микроскопические "кусочки" обычного металла. Эти частицы, состоящие из 5-10 тысяч атомов, не имеют строгой молекулярной формулы. Они представляют собой аморфные или поликристаллические кластеры, связанные металлической связью — той самой, что делает твёрдым кусок натрия на вашей лабораторной полке.
"Мы перешли от изучения отдельных сложных молекул к исследованию того, как ведёт себя сама материя в наноразмерном состоянии, — объясняет ведущий исследователь, докторант Себастьян Педалино. — Это качественно иной уровень: мы проверяем квантовые законы не на специально созданных молекулярных структурах, а на том, что является миниатюрной моделью макроскопического объекта".
Экспериментальная установка, теоретическую основу которой разработал Клаус Хорнбергер, представляет собой интерферометр в ближней зоне с лазерными дифракционными решётками.
Работа с металлическими частицами потребовала решения уникальных задач, в которые входило:
а) Создание ультрахолодных кластеров — частицы нужно было не просто охладить, но и стабилизировать, чтобы они не агрегировали и не теряли когерентность.
б) Прецизионное управление — лазерные решётки из ультрафиолетового света должны были взаимодействовать с частицами, чья поляризуемость отличается от органических молекул.
в) Детектирование без разрушения — важно было не просто зафиксировать интерференцию, но и понять, как внутренние степени свободы металлической частицы влияют на квантовое состояние.
Результат превзошёл ожидания: несмотря на массу в 170 000 атомных единиц (в несколько раз больше предыдущих рекордсменов-молекул), наночастицы натрия продемонстрировали чёткую интерференционную картину. Это означает, что во время полёта через интерферометр они не имели определённой траектории, а существовали в состоянии суперпозиции — одновременно на всех возможных путях.
Ключевым достижением работы стало рекордное значение комплексного параметра "макроскопичность" (μ = 15.5), который учитывает не только массу, но и размер, сложность и время когерентности системы. Этот показатель примерно в десять раз превысил значения, полученные в экспериментах с самыми сложными молекулами. "Параметр μ — это своеобразный "индекс макроскопичности", — поясняет профессор Маркус Арндт. — Его рост означает, что мы устанавливаем всё более строгие ограничения для альтернативных теорий, пытающихся объяснить переход от квантового мира к классическому. Каждый шаг в увеличении μ проверяет фундамент квантовой механики на прочность".
Установка, используемая в опыте, работает как датчик сил с чувствительностью до 10⁻²⁶ Ньютонов. Это открывает возможности для поиска экзотических взаимодействий, изучения слабых полей, что может иметь значение даже для поиска темной материи.Демонстрация квантового поведения у искусственных наноструктур приближает нас к созданию гибридных систем, где макроскопические объекты могут использоваться как кубиты или сенсоры. Плюс ко всему, методология позволяет изучать квантовые свойства не только натрия, но и других металлов, полупроводников, диэлектриков в наноразмерном состоянии.
Этот эксперимент знаменует переход от доказательства квантовых принципов на сложных молекулах к их проверке на объектах, которые являются миниатюрными версиями нашего макроскопического мира.
Больше интересного читай в моем Telegram канале.
Автор: Zarifa
